Finura del Cemento.

La finura del cemento depende del tiempo de molido del clinker, la finura del cemento se mide en metros cuadrados por Kg, como se ha mencionado, en un cemento normal la superficie específica puede estar alrededor de 200 m2/kg. Una finura alta favorece la hidratación rápida del cemento y al mismo tiempo favorece también una generación rápida de calor. Para la industria cementera una finura alta representa invariablemente un mayor costo de molienda, por lo que el tratamiento sólo se justifica en el caso de que se pretenda producir un cemento especial de resistencia rápida, por ejemplo, la finura en cementos de ultra rápida resistencia se deben alcanzar finuras del orden de 700-900 m2/kg. En un cemento tipo III la finura se encuentra alrededor de los 300 m2/kg. Las cifras anteriores corresponden a resultados obtenidos con el método Blaine, ya que las cifras varían dependiendo del método empleado en su determinación. La finura del cemento también puede ser estimada por cribado, detectando el porcentaje de material que pasa la malla No 200, esto sin embargo, no es suficiente para tener una idea de la superficie específica que tiene dicho cemento.

Contracción Durante el Fraguado del Cemento Portland.

Todo producto elaborado con cemento Portland sufre una contracción por fraguado, al menos que se haya integrado a la mezcla algún agente expansor que contrarreste el fenómeno. El fenómeno de contracción en cementos aún no está bien determinado puesto que muchos de los cambios que ocurren son a nivel microscópico e influenciados por las condiciones ambientales de hidratación y curado. Las contracciones que ocurren en la pasta de cemento hidratada son de dos tipos, contracción por carbonatación y contracción por secado, los dos fenómenos ocurren simultáneamente pero el de mayor magnitud es el que involucra la contracción por secado. La contracción por carbonatación ocurre debido a que el hidróxido de calcio [Ca (OH)2] liberado durante la hidratación reacciona con el bióxido de carbono (CO2) de la atmósfera para formar un carbonato de calcio (CaCO3), el cual se deposita en algún lugar de la pasta, la disolución del hidróxido de calcio y las tensiones producidas por el agua de gel ocasionan una reducción de espacio al desaparecer el hidróxido de calcio, como el fenómeno de contracción se da a nivel superficial, se considera que no es dañino para el resto de la masa. Por otro lado, la contracción por  secado  depende de  la  cantidad de  agua  en  la  mezcla,  el  fenómeno se  provoca por  la contracción del gel de silicato de calcio en la estructura de la pasta de cemento en el momento en que se pierde la humedad contenida en el gel, las mezclas aguadas sufrirán mayores contracciones que las mezclas secas. Una pasta de cemento se contrae mucho más que un concreto debido a que en el concreto los agregados restringen el fenómeno de contracción. Se ha encontrado que una pasta de cemento se puede contraer de 5 a 15 veces más que un concreto, y con referencia a las propias pastas, se ha encontrado que variaciones no muy grandes en la relación agua cemento ocasionan  grandes  diferencias  en  la  contracción,  por  ejemplo  una  pasta  con  relación  agua cemento de 0.56 por peso, se contrae un 50% más que una con relación de 0.40.

Calor de Hidratación del Cemento Portland.

Se llama calor de hidratación al calor que se desprende durante la reacción que se produce entre el agua y el cemento al estar en contacto, el contacto se puede llevar a cabo aún si el agua está en forma de vapor, por lo que es muy importante que el cemento esté protegido del medio ambiente ya sea en sacos o en silos, hasta el momento en que se le mezcle con el agua. El calor de hidratación que se produce en un cemento normal es del orden de 85 a 100 cal/g. La Tabla 6.3 presenta una apreciación cualitativa de la participación de los compuestos principales del cemento Portland en la rapidez de reacción con el agua y en el calor de hidratación por unidad de compuesto.

Tabla 6.3. Los Compuestos Principales del Cemento en el Calor de Hidratación.

 

Contracción Durante el Fraguado del Cemento Portland.

Todo producto elaborado con cemento Portland sufre una contracción por fraguado, al menos que se haya integrado a la mezcla algún agente expansor que contrarreste el fenómeno. El fenómeno de contracción en cementos aún no está bien determinado puesto que muchos de los cambios que ocurren son a nivel microscópico e influenciados por las condiciones ambientales de hidratación y curado. Las contracciones que ocurren en la pasta de cemento hidratada son de dos tipos, contracción por carbonatación y contracción por secado, los dos fenómenos ocurren simultáneamente pero el de mayor magnitud es el que involucra la contracción por secado. La contracción por carbonatación ocurre debido a que el hidróxido de calcio [Ca (OH)2] liberado durante la hidratación reacciona con el bióxido de carbono (CO2) de la atmósfera para formar un carbonato de calcio (CaCO3), el cual se deposita en algún lugar de la pasta, la disolución del hidróxido de calcio y las tensiones producidas por el agua de gel ocasionan una reducción de espacio al desaparecer el hidróxido de calcio, como el fenómeno de contracción se da a nivel superficial, se considera que no es dañino para el resto de la masa. Por otro lado, la contracción por  secado  depende de  la  cantidad de  agua  en  la  mezcla,  el  fenómeno se  provoca por  la contracción del gel de silicato de calcio en la estructura de la pasta de cemento en el momento en que se pierde la humedad contenida en el gel, las mezclas aguadas sufrirán mayores contracciones que las mezclas secas. Una pasta de cemento se contrae mucho más que un concreto debido a que en el concreto los agregados restringen el fenómeno de contracción. Se ha encontrado que una pasta de cemento se puede contraer de 5 a 15 veces más que un concreto, y con referencia a las propias pastas, se ha encontrado que variaciones no muy grandes en la relación agua cemento ocasionan  grandes  diferencias  en  la  contracción,  por  ejemplo  una  pasta  con  relación  agua cemento de 0.56 por peso, se contrae un 50% más que una con relación de 0.40.

Hidratación y Fraguado del Cemento Portalnd.

El proceso de hidratación del cemento Portland se inicia cuando el agua de mezcla entra en contacto con los granos de cemento, en este momento el grano de cemento se moja del exterior al  interior  y  los  principales compuestos químicos  al  igual  que  los  compuestos secundarios reaccionan colaborando en diferente forma en la ganancia de resistencia y en la consecución de otras propiedades que caracterizan el cemento endurecido. Al principio la consistencia de la mezcla es aguada pero con el tiempo la pasta (cemento más agua) se va rigidizando, a este proceso se le llama fraguado del cemento. Se destacan dos tipos de fraguado en el cemento, el primero se llama fraguado inicial (en ese momento ya no se debe perturbar la pasta), el cual se produce aproximadamente a las 3 horas, el segundo se llama fraguado final, el cual se produce aproximadamente a las 7 horas, en este tiempo la pasta de cemento se ha endurecido totalmente (el fraguado inicial y el fraguado final se verifican por medio de pruebas de penetración con el aparato de Vicat), de manera que la estructura que se observa desde el exterior ya no cambia, sin embargo la estructura interna sufre una gran transformación a nivel microscópico. El resultado del proceso de hidratación está ligado a la generación de productos sólidos que son como agujas o cristales que nacen de la combinación química progresiva del grano de cemento con el agua que lo rodea, esta actividad continúa siempre y cuando haya agua disponible. A nivel experimental se ha llegado a encontrar que bajo condiciones óptimas de curado (mantener la pasta húmeda y a temperatura  adecuada)  se  han  detectado  granos  de  cemento  que  nunca  llegan  a  hidratarse totalmente. La Figura 6.2 muestra esquemáticamente el proceso de transformación que sufre un grano de cemento una vez que hace contacto con el agua.

 Figura 6.2. Proceso de Hidratación de un Grano de Cemento Portland.

En la estructura final de los productos de hidratación del cemento, la parte sólida llamada gel  ocupa  la mayor  parte  del  espacio,  el  gel  está  constituido  principalmente  por  silicatos hidratados de calcio, los cuales dominan las propiedades mecánicas. La estructura fibrosa que se representa por la parte sombreada de la Figura 6.2 presenta una superficie específica muy grande, se estima entre 100 y 700  m2/kg (un cemento normal presenta 200 m2/kg). Los poros de gel que se aprecian en la figura son los espacios más pequeños (porosidades dentro del gel) pueden ser hasta de 5 nm de ancho, estos poros de gel aparecen aún en cementos hidratados bajo condiciones  muy  controladas  durante  el  curado,  el  volumen  que  ocupan  es  de  un  28% aproximadamente. Los poros capilares son los espacios más grandes y durante la etapa de curado pueden estar parcial o totalmente llenos de agua según la relación agua-cemento que se haya usado.

La cantidad de agua necesaria para la hidratación del cemento depende mucho de las condiciones climáticas bajo las cuales se desarrolla esta reacción, bajo condiciones de laboratorio controladas, se ha llegado a determinar que se requiere aproximadamente un 23% del peso del cemento (relación agua cemento = 0.23), esta cantidad es bastante baja si se considera que en un concreto  convencional se  usa  un  poco  más  del doble.  El  exceso  de  agua  en  un  concreto convencional obedece principalmente a la necesidad de obtener una mezcla fluida para poderla depositar y compactar sin problemas dentro de la cimbra. Por esta razón los cuidados de curado del concreto se pueden limitar a evitar que se evapore el agua del concreto fresco.

Propiedades del Cemento Portland.

Sanidad del Cemento.

Endurecimiento del Cemento.

Finura del Cemento.

Contracción Durante el Fraguado del Cemento Portland.

Calor de Hidratación del Cemento Portland.

Contracción Durante el Fraguado del Cemento Portland.

Hidratación y Fraguado del Cemento Portalnd.

Uso de los Diferentes Cementos Portland.

Los usos de los diferentes tipos de cementos mostrados en la Tabla 6.2 obedecen a las propiedades físicas y químicas derivadas de sus procesos de  hidratación, así como a la protección que  pueden  ofrecer  al  concreto  elaborado  con  dichos  cementos.  Se  acostumbra  a  que  las comparaciones de los diferentes tipos de cementos se hagan con respecto al cemento tipo I.

El cemento Portland tipo I se conoce como el cemento normal de uso común. Se emplea en  todas  aquellas obras  para  las  cuales no  se  desea una  protección especial, o  las condiciones de trabajo de la obra no involucran condiciones climáticas severas ni el contacto con sustancias perjudiciales como los sulfatos. En este tipo de cemento el silicato tricálcico (C3S) se encarga de generar una notable resistencia a edades cortas, como consecuencia, genera también la mayor cantidad de calor de hidratación. Por su parte el silicato dicálcico (C2S) se encarga de generar resistencia a edades tardías. En este cemento los aluminatos se hidratan también de una forma rápida pero coadyuvan de una manera menos significativa en la resistencia final, sin embargo son compuestos potencialmente reactivos, pues en caso de la presencia de sulfatos en solución  forman  sulfoaluminatos, los  cuales  producen expansiones que  llegan  a  desintegrar totalmente al concreto o a cualquier otro producto a base de cemento.

El cemento tipo II se conoce como cemento Portland de moderado calor de hidratación y de moderada resistencia a los sulfatos, esto se explica por la disminución del silicato tricálcico y del  aluminato tricálcico  con  respecto al  cemento normal. El  cemento tipo  II  se  emplea en estructuras moderadamente masivas como grandes columnas o muros de concreto muy anchos, el objetivo es el de evitar que el concreto se agriete debido a los cambios térmicos que sufre durante la hidratación. También se aconseja usar este tipo de cemento en estructuras donde se requiere una protección moderada contra la acción de los sulfatos, como en cimentaciones y muros bajo tierra, donde las concentraciones de sulfatos no sean muy elevadas.

El cemento tipo III se conoce como de resistencia rápida, este tipo de cemento se usa cuando hay la necesidad de descimbrar rápido con el objeto de acelerar otros trabajos y poner en servicio la obra lo más pronto posible. La resistencia que desarrolla durante los primeros siete días es notable debido principalmente a la presencia de altos contenidos de silicato tricálcico y bajos  contenidos  del  silicato  dicálcico.  Además  de  la  composición  química,  los  cementos adquieren la propiedad de ganar resistencia rápidamente cuando la finura a la que se muele el clinker es mayor que la del cemento normal.

El  cemento  tipo  IV  o  de  bajo  calor  de  hidratación  desarrolla  su  resistencia  más lentamente que el cemento normal debido a los bajos contenidos de silicato tricálcico, por esta misma razón el calor que desarrolla durante la etapa de fraguado es mucho menor que el del cemento normal. El cemento tipo IV se emplea en la construcción de estructuras masivas como las presas de concreto, donde se requiere controlar el calor de hidratación a un mínimo con el objeto de evitar el agrietamiento.

El cemento tipo V o resistente a los sulfatos se emplea en todo tipo de construcciones que estarán expuestas al ataque severo de sulfatos en solución o que se construirán en ambientes industriales agresivos. Estos cementos se consideran resistentes a los sulfatos debido a su bajo contenido de aluminato tricálcico, se caracterizan por su ganancia moderada de resistencia a edades tempranas, pero al igual que el cemento de bajo calor desarrolla buena resistencia a edades tardías gracias a sus altos contenidos de silicato dicálcico.

Cabe aclarar que la industria cementera mexicana no produce en forma habitual todos los cementos descritos, usualmente en el mercado se puede encontrar el cemento tipo I, aunque en muchos lugares de la  república mexicana no es así, debido a  que la  propia industria tiene preferencias por comercializar el cemento puzolánico que se describirá más adelante. Los demás cementos los produce la industria cementera pero bajo pedidos especiales, por lo que no se les encuentra en el mercado.

Composición Química del Cemento Portland.

Como se ha mencionado los componentes principales del cemento Portland lo constituyen los silicatos y los aluminatos de calcio, estos compuestos se forman por la asociación química de diferentes óxidos como el oxido de calcio (CaO), que se representa químicamente en forma abreviada por la letra C, la sílica (Si O2) que se representa por S, la alúmina (Al2O3) que se representa por A y el oxido de fierro (Fe2 O3) representado por F. Los compuestos principales resultado del proceso de fusión química en el horno son cuatro, sus nombres, formulas químicas abreviadas y abreviaciones comunes se citan a continuación:

Adicionalmente se forman compuestos secundarios como MgO, SO3, K2O, Na2O y otros. Los dos últimos óxidos, el de potasio y el de sodio se conocen como los álcalis del cemento, normalmente estos compuestos se restringen en un 0.6% por peso en forma combinada, esta  restricción  obedece  a  que  arriba  de  este  porcentaje  y  bajo  condiciones  ambientales favorables, los álcalis reaccionan en forma expansiva con algunos agregados de origen volcánico, provocando la desintegración del concreto.
Para producir un cemento Portland se espera que la presencia de los diferentes óxidos se encuentren dentro de los rangos indicados por la Tabla 6.1.
 
Como se puede observar, los óxidos de calcio y de sílice son los más abundantes en los cementos, su variación en porcentaje, al igual que la de los demás óxidos está regida por las proporciones de  los  ingredientes en  bruto  alimentados  al  proceso  de  producción, pequeñas variaciones en los porcentajes de óxidos arrojan variaciones muy importantes en los compuestos principales del cemento. Las variaciones en porcentaje de los compuestos principales definen los diferentes tipos de cemento que se conocen. La tabla 6.2 presenta los tipos de cemento Portland convencionales en las obras de ingeniería civil.

Tabla 6.1. Composición del Cemento Portland.

 


Tabla 6.2. Composición Típica de los Cementos Portland.

Fabricación del Cemento Portland.

El  proceso  básico  de  fabricación  del  cemento  es  relativamente  simple,  existen  dos métodos para la elaboración del cemento, ellos son el método vía húmeda y el método vía seca. En  el  método  vía  húmeda se  forma  una  suspensión  con  los  materiales  calcáreo-arcillosos previamente molidos, la suspensión es transportada por todo el sistema como un fluido por medio de tuberías. En el método por vía seca la mezcla intima de los materiales calcáreo-arcillosos se transporta por corrientes de aire, para algunos productores de cemento la diferencia más notable entre los dos métodos se encuentra en que en el método vía húmeda se consume más energía en el proceso de cocción debido a que primero se debe evaporar el exceso de agua antes de iniciar la fusión de los materiales con las altas temperaturas. La Figura 6.1 ilustra el método vía seca para el caso en que la arcilla proviene de una roca, de acuerdo con esta figura las etapas más importantes en la producción del cemento Portland son las siguientes: explotación de las canteras de arcilla y caliza, triturado, molienda y  obtención de  la  harina  cruda,  calcinación, adición  del  yeso  y molienda del clinker, finalmente almacenamiento y envasado.

Una etapa muy importante en el proceso de fabricación del cemento es la calcinación y obtención del clinker. 

La harina cruda obtenida en la etapa de molienda de los ingredientes en bruto es transportada hacia el horno giratorio, el cual se calienta hasta 1500°C por medio de una flama localizada en la parte baja del horno, el horno presenta una ligera inclinación para que el material alimentado por la parte superior (harina cruda) se deslice lentamente durante la cocción hacia  la  parte  inferior.  La  harina  cruda  al  entrar  en  el  horno sufre  una  serie  de  cambios importantes, inicialmente se seca y al llegar a unos 600°C el carbonato de calcio (CaCO3) proveniente de la roca caliza pierde el bióxido de carbono, convirtiéndose en cal viva (CaO). 

Posteriormente  cerca  de  los  1200°C  se  produce  una  fusión  de  ingredientes  que  da  como resultados la formación de silicatos de calcio y aluminatos de calcio, así como otros compuestos secundarios. Debido al movimiento de los ingredientes durante la calcinación se van formando unas pequeñas bolas en el horno, estas bolas de material cocido se llaman clinker. El clinker es ya el cemento Portland, con el único defecto de que requiere de la adición del yeso y de la molienda, sin la presencia del yeso el clinker molido fraguaría muy rápidamente entorpeciendo el proceso normal de fraguado.

Figura 6.1. Proceso de Producción del Cemento Portland Vía Seca.

Materias Primas para la Fabricación del cemento Portland.

Los ingredientes básicos para elaborar el cemento Portland son la cal, la sílice y la alúmina, estos ingredientes se pueden encontrar en la naturaleza en diversas formas y por lo general de manera abundante. Por ejemplo la  cal se  extrae del carbonato de calcio  que se encuentra en la roca caliza (recuérdese el proceso de producción de la cal), la sílice proviene de la arcilla (la arcilla puede ser el mismo suelo arcilloso o alguna roca sedimentaria constituida básicamente de  arcilla  como  la  lutita  arcillosa), al  igual que  la  alúmina, por  estas razones generalmente las plantas productoras de cemento se encuentran muy cerca de los bancos de materiales que proveen estos ingredientes básicos. En la elaboración de los cementos también se requiere de otros minerales secundarios entre los que se encuentran el hierro, el magnesio, el sodio y el potasio, la mayoría de ellos se pueden encontrar en los bancos de arcilla, de no ser así, la planta debe abastecerse del mineral que adolecen sus bancos propios. Otro material básico en la elaboración de los cementos es el yeso, el cual generalmente se trae de fuera pues es muy difícil que la planta haya sido ubicada donde todos los insumos estén a la mano.