Cemento Blanco y Puzolánico

El cemento blanco.- El cemento blanco se puede considerar como un cemento especial, que sólo se fabrica bajo demanda del mercado, generalmente las plantas de cemento capacitadas lo producen periódicamente para satisfacer la demanda de los fabricantes de pegazulejo y de otras industrias, se le puede encontrar comercialmente en bajas cantidades y se le emplea normalmente para  propósitos decorativos. Este  tipo  de  cemento se  produce básicamente con  los  mismos ingredientes que el cemento normal, salvo que los materiales arcillosos que se emplean deben ser muy bajos en óxidos de fierro y de manganeso, ya que estos óxidos dan tonalidades grises en los cementos.  En  la  producción  del  cemento  blanco  se tiene  mucho  cuidado  en  no  causar contaminación de los ingredientes con los óxidos mencionados, de tal manera que tanto en la molienda como en la quema se evita el contacto con el fierro, por ejemplo la molienda no se hace con bolas de acero ni se quema carbón para calcinar la harina cruda, en su lugar se usan bolas de metales no ferrosos y gas.

El cemento puzolánico.- Por deseo de la industria cementera, al menos en México, el cemento puzolánico se ha convertido para muchos lugares de la república en la única alternativa para la industria de la construcción, ya que es más fácil de conseguir. Este cemento se fabrica incorporando al cemento normal de un 15 a un 40 por ciento de puzolana por peso. La puzolana es un material natural o artificial que contiene sílice en forma reactiva, la sílice por si sola no tiene ningún poder cementante, pero en presencia de humedad y en combinación con el hidróxido de calcio que libera el cemento normal durante su hidratación genera nuevos productos sólidos. Los fabricantes de cemento puzolánico generalmente obtienen la  puzolana por medio de la molienda de rocas de origen volcánico, aunque en forma alterna se pueden emplear las cenizas volcánicas (natural) y la ceniza de carbón quemado (artificial). La calidad de las puzolanas depende de la reactividad de las mismas, esta reactividad se verifica de diversas maneras siendo la más sencilla la que consiste en evaluar su resistencia al combinarla con cal y agua. Existen otras características que se evalúan en las puzolanas que también son importantes como: la finura, la contracción por secado, la demanda de agua, su capacidad para reducir reacciones expansivas, su expansividad en morteros y su sanidad. Como se observa la calidad de los cementos puzolánicos puede ser muy variable entre marcas comerciales.

La puzolana es menos densa que el cemento, por ejemplo la ceniza de carbón quemado (ceniza volante) puede tener una densidad relativa entre 2.1 y 2.5. En el caso de la ceniza la superficie específica puede ser muy alta ya que el tamaño de las cenizas es más pequeño, una ceniza volante

puede tener 500 m2/Kg, por esta razón este material resulta peligroso para la salud si es inhalado.

La Figura 6.4 presenta una microfotografía de una ceniza volante tomada con un microscopio electrónico, el objetivo en la fotografía tiene un aumento de 3,000 veces su tamaño real.

 Figura 6.4. Microfotografía de una Ceniza Volante.

El reemplazo parcial del cemento por puzolana presenta tanto ventajas como desventajas que hay que considerar. Los beneficios incluyen un aumento en la impermeabilidad (nuevos productos sólidos disminuyen la permeabilidad), disminución del calor de hidratación (la ceniza reemplaza cemento y actúa como un agregado más), reduce la reacción álcali-agregado (el incrementar la cantidad de sílice a nivel de superficie en el agregado reduce las reacciones) y mejora la trabajabilidad (el tamaño y forma de las cenizas proporciona una lubricación extra). Una de las principales desventajas consiste en que el cemento puzolánico desarrolla resistencia más lentamente que el cemento normal. Este último problema se puede subsanar empleando un poco más de cemento, tal vez alrededor de un 10% más, esta solución se aplicaría en el caso de tener que usar el cemento puzolánico pero con efectos semejantes a los que posee el cemento normal en cuanto a ganancia rápida de resistencia.
 

La desventaja que presentan los cementos puzolánicos en cuanto a su baja resistencia inicial puede revertirse a la larga, siempre y cuando el proceso de hidratación no se interrumpa, es decir, siempre y cuando exista humedad disponible para que reaccione la sílice de la puzolana con el hidróxido de calcio liberado durante la hidratación del cemento, de aquí que las aplicaciones ideales para este tipo de cemento sean aquellas en las cuales el concreto o el producto derivado del cemento puzolánico esté en contacto con el agua (canales, cisternas, bordos, pilotes bajo el nivel freático, y otros). La Figura 6.5 muestra en forma esquemática el beneficio que a la larga puede tener un concreto con cemento puzolánico contra un concreto elaborado con cemento normal.

Figura 6.5. Concreto con Cemento Normal contra Concreto con Cemento Puzolánico.

Sanidad del Cemento.

La  sanidad  del  cemento  consiste  en  verificar  que  no  se  producirán expansiones o contracciones dañinas en el cemento endurecido, ya que éstas provocarían la destrucción del concreto. La no-sanidad del cemento se atribuye a la presencia de magnesia o de cal libre en cantidades  excesivas.  La  cal  o  la magnesia  hidratadas  desarrollan  con  el  tiempo  fuerzas expansivas que afectan la pasta endurecida. Como el fenómeno toma tiempo en caso de que las sustancias  mencionadas se  encuentren en  cantidades excesivas, se  realiza  normalmente una prueba  acelerada,  que  consiste  en  someter  barras  de  pasta  de cemento  a  un  curado  en autoclave, en  este  aparato se  mantiene vapor de  agua a  presión, con lo que se  acelera  la hidratación y la generación de productos sólidos, si las barras muestran expansiones mayores al

0.8% se dice que el cemento no pasa la prueba de sanidad.

Endurecimiento del Cemento.

El endurecimiento del cemento se inicia una vez que se inicia el fraguado del cemento, la ganancia en resistencia (medida del endurecimiento) es progresiva según avanza el grado de hidratación del cemento.  

Como se ha mencionado el proceso de hidratación continúa siempre y cuando haya agua disponible y existan las condiciones climáticas adecuadas, esto no significa que todos los granos de cemento se hidraten, sin embargo los granos no hidratados no perjudican la resistencia alcanzada. Entonces, el endurecimiento del cemento es consecuencia de la hidratación del mismo. El endurecimiento o ganancia de resistencia del cemento hidratado se puede verificar con diversas técnicas, entre ellas tenemos las siguientes:

a) Medición del calor generado

b) Determinación de la cantidad de cal liberada [Ca (OH)2]

c) Determinación de la cantidad de cemento no hidratado (análisis cuantitativo de rayos x)

d) Determinación de la cantidad de agua combinada químicamente e) Verificación del aumento de densidad

f) Pruebas directas de resistencia

En forma práctica la evolución de resistencia del cemento no se verifica con pruebas realizadas sobre la pasta de cemento, en su lugar se elabora una mezcla de cemento, arena sílica y agua siguiendo normas estándar. Con el mortero se fabrican cubos, los cuales se curan y se prueban de manera estándar para obtener la resistencia a las edades especificadas según el tipo de cemento.   La   evolución   de   resistencia  de   los   diferentes   cementos   considerados   como convencionales (tipos I, II, III, IV y V) es diferente en los primeros días sin embargo a la larga alcanzan resistencias semejantes, esto no es una regla pues la evolución en resistencia depende de muchas variables. La Tabla 6.4 presenta una versión aproximada de la evolución de resistencia de los diferentes cementos con relación al cemento normal tipo I. De acuerdo con esta tabla debe esperarse que a los tres meses las resistencias de todos los concretos hechos con los diferentes tipos de cemento sean iguales. Como un ejemplo de que es posible obtener diferentes resultados a los representados por la Tabla 6.4, se presenta la Figura 6.3 que en forma esquemática ilustra lo anterior.

Tabla 6.4. Evolución de Resistencia Relativa entre los Cementos Portland.

Figura 6.3. Evolución de Resistencia de Concretos con Diferentes Cementos. 

 

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.