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.

Uso De La Cal Hidratada.

Aplanados.- El uso más común de la cal en la construcción lo constituyen los aplanados a base de morteros de cal, con los cuales se llegan a desarrollar resistencias  suficientemente altas para garantizar la adherencia del mortero a las paredes. Los tipos de aplanado pueden ser gruesos cuando se emplea más arena o finos donde la arena empleada es cernida con el objeto de lograr una superficie más lisa, a un lado de estos dos tipos de aplanados se pueden lograr una gran variedad de combinaciones dependiendo de la textura que se busque en este tipo de trabajo.

Mamposterías.- Por mucho tiempo se  ha empleado el  mortero de cal  para pegar o juntear mampostería de piedra braza o de tabique, este tipo de trabajo se realiza ahora mejor con  los  morteros  hidráulicos, sin  embargo  cabe  destacar  que  el  empleo  de  la  cal  es  muy económico y aconsejable para aquellas obras de cimentación rústica o de mampostería que no requiere ni de elevadas resistencias ni de ganancia rápida de resistencia.

Estabilización de suelos.- Quizás una de las aplicaciones  que cada día se vuelven más populares en la industria de la construcción es la estabilización de suelos con cal. Esta aplicación se da tanto en carreteras como en cimentaciones en general, donde la presencia de suelo arcilloso se convierten en un peligro para la estabilidad de las construcciones que se apoyan en ellos. Primero la cal se mezcla en seco con el suelo y después de adicionarle la cantidad adecuada de agua (generalmente un 2% arriba del óptimo) se compacta al grado requerido, de esta manera se disminuye la peligrosidad de los suelos arcillosos. La cal actúa como inhibido de la plasticidad y proporciona  al  mismo  tiempo  elementos  de  dureza  en  su  proceso  lento

pero  efectivo  de combinación química con los diversos minerales de las arcillas. La cantidad de cal a usar depende de la acidez o alcalinidad del suelo según se mide por el "ph" del mismo, porcentajes de cal de 2-

4% por peso del suelo seco son comunes en la estabilización de suelos. En carreteras se llega a especificar en ocasiones el uso de la calhidra para la estabilización de bases y subbases, en este caso la cal reacciona químicamente con la sílica y la alúmina de los finos formándose silicatos y aluminatos de calcio que son agentes cementantes que aglutinan a las partículas más grandes.

Proporciones De Morteros De Cal.

La cal se usa más frecuentemente como integrante de los morteros de cal, y muy poco sola en forma de pasta (la pasta se emplea generalmente para alisar superficies), los morteros son una mezcla de cal, arena y agua. 

Dependiendo de la aplicación particular del mortero se fijan las proporciones, de manera que resultaría muy aventurado el indicar de antemano proporciones que puedan emplearse con  confianza para  tal  o  cual aplicación, en  la  mayoría  de  los  casos la dosificación   debe   partir   de   la   práctica   y   posteriormente  deben   hacerse   correcciones. Generalmente las proporciones de los ingredientes se expresan por volumen, por ejemplo los morteros 1:1, 1:2, 1:3, etc., estas cantidades representan tres diferentes mezclas en las cuales para cada unidad de volumen de cal a emplear se deben combinar una, dos y tres partes de arena por volumen, la cantidad de agua dependerá de la consistencia, el tiempo de fraguado y la resistencia que se busque. La cantidad de agua no debe tomarse de libros o recomendaciones bibliográficas puesto que no es realista el asumir que se cuenta con materiales semejantes. Lo que se debe hacer es una serie de ensayes prácticos con el apoyo de un laboratorio hasta lograr los resultados deseados,  y  después  hacer  ajustes  en el  campo,  puesto  que  para  todo  trabajo  en  obra  las condiciones climáticas son variables.

La elaboración de los morteros de cal es muy sencilla, generalmente se realiza con palas, primero se mezclan la cal y la arena hasta lograr una mezcla homogénea, después se va añadiendo la  cantidad  de  agua necesaria  para  dar  la  consistencia  deseada.  El  uso  de  la  cal  facilita grandemente el trabajo con los morteros, ya que cuando la consistencia de la mezcla es baja o el mortero se ha endurecido un poco, solo es necesario adicionarle más agua, con la cal no ocurre lo que con el cemento, donde una vez que el agua hace contacto con el cemento, el proceso de fraguado se inicia y después de un tiempo ya no se puede interrumpir.

Propiedades De La Cal Hidratada.

Las propiedades de la cal que interesan a la construcción tienen que ver con la resistencia que se puede lograr, el tiempo de fraguado y la consistencia de las mezclas a base de este material. Si bien es cierto que el uso de la cal en la construcción es limitado, principalmente por lo lento de su ganancia en resistencia, aún se le usa y existen especificaciones que regulan las propiedades de este material. Las propiedades como la resistencia y el tiempo de fraguado están íntimamente relacionadas con la composición química de la cal. La composición química varía dependiendo de las impurezas contenidas en la materia prima, por ejemplo la roca caliza puede contener arcillas, hierro, azufre, carbonatos de magnesio, álcalis y otras impurezas que  afectan la reactividad de la cal con el agua. Un parámetro que ayuda a interpretar la rapidez de reacción de la cal se llama el índice hidráulico que se define como sigue:

 

Donde el numerador está integrado por la suma en peso de la sílice, la alúmina y el hierro, mientras el denominador se integra por la cal (cal viva) más la magnesia. De acuerdo con el investigador Vicat, a medida que el índice hidráulico aumenta, aumenta también la rapidez de fraguado de la cal, la Tabla 5.1 muestra una clasificación de diversas cales, la tabla muestra también la influencia de las impurezas representadas por la presencia de arcilla en la materia prima.

Tabla 5.1. Tipos de Cal Según su Contenido de Arcilla.

Como se observa, la reactividad de la cal es función directa de los contenidos de arcilla,

esto no es nada extraordinario ya que es así como se elaboran los cementos hidráulicos, es decir con una fusión de materiales calcáreos y arcillosos, solo que en el caso de la cal los materiales arcillosos se encuentran como impurezas de la materia prima. Otras características como la densidad y la resistencia también se relacionan con la composición química de las cales, de manera que a medida que la cal se vuelve más hidráulica su densidad aumenta y como se observa en la Tabla 5.1, la cal límite prácticamente se convierte en un cemento. La calhidra de uso común tiene una densidad promedio de 2.3 que es baja comparada con los cementos que oscilan entre 3.0 y  3.15. La resistencia que puede generar la cal depende de la reactividad de la misma, como generalmente se combina la cal con arena y por supuesto con el agua, frecuentemente se expresa la resistencia de la cal como aquella lograda por un mortero, por ejemplo un mortero 1:3 (una parte de cal por tres de arena) con la cantidad de agua requerida puede generar una resistencia entre 10 y 20 kg./cm2.

Proceso de Producción de la Cal.

El proceso de producción de la cal consta de las siguientes etapas:

1. Extracción de la roca caliza.- Como la roca caliza es dura (dureza 3 en la escala de Mohs), generalmente se requieren explosivos para fragmentarla, en caso de ser necesario los fragmentos más grandes se someten a una trituración primaria para reducirlos al tamaño adecuado.

2.  Cocción.-  Esta  etapa  consiste  en  someter  a  la  roca  caliza  previamente  fragmentada  a temperaturas que oscilan entre 800 y 900°C, con lo cual se desprende el bióxido de carbono y se obtiene la cal viva (CaO). Los hornos en los cuales se lleva al cabo esta operación pueden ser de diversos  tipos,  desde  muy  sencillos  hasta  muy  complicados.  Los  hornos  pueden  ser:  a) intermitentes o b) continuos. En los hornos intermitentes se realiza solo una quema a la vez y es necesario cargar la roca caliza, quemar y posteriormente descargar para dejar libre el horno para la siguiente hornada, mientras que en los hornos continuos la roca caliza se carga por un lado y por el otro se descarga la cal viva, todo en una operación más o menos continua.

3. Apagado.- La cal viva es muy inestable puesto que tiende a absorber agua hasta del medio ambiente, el material en estas condiciones resulta peligroso puesto que  puede quitarle  humedad a las plantas, los animales y cualquier ser vivo por simple contacto. Por esta razón la cal viva, de aspecto blanco es sometida al apagado o la hidratación con el objeto de obtener la cal hidratada o hidróxido de calcio (Ca (OH)2),

en el proceso se libera calor. El apagado que se practica en la industria varía desde apagado por riego o aspersión hasta el apagado por inyección de vapor de agua, cualquiera que sea el método, el objetivo principal del proceso es no dejar ningún resto de cal viva sin hidratar, puesto que esto ocasionaría pérdida de consistencia en las mezclas de cal y daños posteriores, ya que la cal viva absorbe aproximadamente 3 veces su volumen de agua.

4. Molienda.- Como la cal se vende molida para facilitar su aplicación, el proceso tiene que ver con el costo de la misma puesto que un método de molienda refinado eleva el costo de la cal. El método más recurrido para la molienda es el que emplea martillos pulverizadores en un sistema rotatorio, posteriormente el material molido se separa mediante cribas, regresándose cíclicamente aquel material que no cumple con el grado de finura requerido.

5. Almacenaje y  envasado.- Como muchos productos a  granel, la  cal  se almacena en silos verticales y se envasa por gravedad en bolsas de papel reforzadas de 25 Kg de peso.

Materias Primas para la Producción de Cal

La materia prima más importante en la elaboración de la cal es la roca caliza (CaCO3), la cal empleada en la construcción se conoce como cal hidratada o calhidra, la cual proviene de un proceso de calcinación o quema de la roca caliza y un apagado o hidratación. Estas etapas se representan químicamente de la siguiente manera:

1. La roca caliza debidamente triturada se somete al calor con lo cual se desprende bióxido de carbono y queda como residuo la cal llamada cal viva (CaO).

2. La cal viva es sumamente difícil de manejar en la construcción debido a su gran avidez por jalar agua del medio ambiente y ser sumamente peligrosa si hace contacto con la piel. Por esta razón la cal se somete a una etapa de apagado o de hidratación con lo cual se logra que el material sea más estable, en el proceso se obtiene el hidróxido de calcio y se desprende calor, esto se representaría de la siguiente forma.

La calhidra al combinarse con el agua en cualquiera de sus aplicaciones produce una pasta que posee un cierto tiempo de fraguado, este proceso básicamente se presenta al perderse un cierto volumen de agua por evaporación, subsecuentemente la mezcla va ganando bióxido de carbono del ambiente al tiempo que se va secando, llegando eventualmente a convertirse en una piedra caliza, el fenómeno se representa como sigue:

Uso del Yeso en la Construcción.

Algunos de los usos que se da al yeso en la construcción son los siguientes: aplanados en general,  emboquillados,  perfiles  decorativos,  bajorrelieves,  falsos  plafones  y  paneles prefabricados.

Aplanados.- Este nombre se aplica a los trabajos de yeso que se hacen sobre muros o techos para revestir propiamente al tabique, al bloque de concreto o al concreto hidráulico. La mezcla debe hacerse sobre una tarima o en un cajón, el cajón debe ser adecuado en tamaño para el ritmo de trabajo del yesero, ya que debe estar cerca de él para poder llenar con una cuchara la talocha o llana de madera con la que el yesero embarra el yeso sobre la superficie por enyesar, posteriormente el yesero emplea una llana metálica para dejar la superficie lisa. El aplanado de las  superficies debe hacerse tratando de subsanar todas las imperfecciones consumiendo un mínimo  de  yeso  pero  proporcionando  aislamiento  térmico.  El  espesor  de  recubrimiento generalmente varia entre 1 y 2 cm.

Para que el trabajo de aplanado con yeso sea satisfactorio se debe tener cuidado de limpiar perfectamente la superficie para favorecer la adhesión. Cuando el yeso se pretenda aplicar sobre el concreto, es recomendable picar la superficie del concreto inmediatamente después del descimbrado, cuando el concreto todavía no está muy duro, de esta manera el yeso se adhiere mejor.

La calidad y uniformidad del trabajo de aplanado con yeso que se puede lograr está en función de los requisitos que se quieran imponer, por ejemplo, el yesero simplemente puede embarrar las superficies con las llanas hasta lograr una superficie lisa y sin embargo no esta garantizado que el espesor sea constante o que las superficies sean perfectamente verticales o perfectamente horizontales. Para lograr un trabajo de calidad es necesario que el yesero siga alguna o algunas de las siguientes prácticas:

1) hacer uso de hilos atados a clavos en las paredes a trabajar (reventón), los hilos definirán el espesor que se pretende colocar, normalmente de unos dos metros para que el yesero
alcance bien con su regla de madera.

2) hacer uso de tiras de madera clavadas a la superficie para cumplir con el mismo propósito del inciso anterior
3) emplear el plomo y la regla para controlar la verticalidad del acabado en el caso de muros.

Emboquillados.-  El  emboquillado  consiste  en  formar  los  marcos  de  las  puertas  y ventanas, este trabajo se lleva al cabo después del aplanado de muros, generalmente se cotiza aparte pues requiere de un cuidado muy especial para formar perfectamente las esquinas de los marcos. En ocasiones las esquinas de los marcos se protegen con algún tipo de protección metálica para que duren más y puedan restaurarse más fácilmente cuando se deterioren.

Perfiles  decorativos.-  La  creación  de  perfiles  decorativos  de  yeso  aún  se  siguen empleando para formar cornisas, zoclos o marcos en ventanas y puertas. Los perfiles se pueden elaborar en la obra o prefabricarse.

Tableros o  paneles de  yeso.- La  industria de  prefabricación de  tableros de yeso es relativamente nueva, este tipo de elemento constructivo se forma de un corazón de yeso cubierto por ambos lados con algún material protector como el papel cartón o el viníl según el tipo de acabado que se quiera dar o la protección que se desee. Los tableros de yeso se emplean mucho en la construcción de muros divisorios, los tableros se unen por medio de una estructura de madera ya sea clavándolos o atornillándolos, la unión de los tableros deja una junta o serie de juntas que se pueden resanar con yeso o algún otro material.
Se han llegado a emplear el yeso para construir sistemas de techado donde se elabora un tipo de concreto a base de yeso empleando un agregado para consumir menos material, en este tipo  de  trabajo  se  debe  tener  un  refuerzo  (generalmente  malla  de  acero  y/o  fibras)  y  un tratamiento final impermeabilizante. Las posibilidades del yeso aumentan mucho cuando se le combina con la cal para acabados en exteriores.

Proporciones de las Pastas y Morteros.

La manera más común de emplear el yeso en la construcción es como pasta (yeso + hacerse por intentos hasta lograr la consistencia y la adherencia deseadas, los intentos se deben hacer por peso y después se debe establecer una rutina de trabajo convirtiendo las cantidades a volúmenes. Es impráctico señalar de antemano algún proporcionamiento para trabajar el yeso, puesto que las características de la pasta son influenciadas por la finura, la densidad y la pureza del yeso, así como de la calidad del agua y las condiciones ambientales. En pastas ordinarias de yeso tal vez se consuma alrededor de un 50% de agua por volumen.

Si bien es cierto que la costumbre en el medio de la construcción es la de usar con más frecuencia las pastas de yeso, esta práctica es especialmente costosa cuando las superficies donde se aplicará el yeso son muy irregulares, como en el caso de muros de tabique o de bloque mal plomeados o mal ejecutados, o también cuando se trata de losas donde se empleó cimbra de mala calidad. Por otro lado las pasta además de ser caras no son tan estables al secado pues se producen microfisuras. El uso de arena fina (de bajo coeficiente de expansión térmico) permite darle un mejor comportamiento al material y a la vez reduce el consumo de yeso (baja el costo), este tipo de combinación se llama mortero de yeso (yeso + arena + agua). Las proporciones de arena a yeso podrían ser de 0.3 a 1 por volumen, esta mezcla se coloca como base en la superficie por tratar y posteriormente se le da un afine con pasta de yeso para dejar la superficie lisa. Otra manera de lograr una mezcla  más trabajable, que no frague rápido y  a  la  vez aumente su resistencia  al  intemperismo es  adicionándole cal,  en  este  caso  se  acostumbra adicionar  un volumen de cal igual al del yeso.

Propiedades del Yeso de Construcción.

El yeso de construcción es un aglomerante que no desarrolla un grado de resistencia alto, sin embargo tiene la cualidad de fraguar y convertirse con el tiempo en una piedra con dureza semejante a la de la roca de yeso de la cual provino. El tiempo de fraguado para un yeso convencional  es  de  aproximadamente  20  minutos,  a  una  temperatura  ambiental  de  20°C, pudiendo tomar más o menos tiempo según lo aguado de la masa y las condiciones ambientales. Durante el fraguado se desarrolla un entrelazamiento de cristales o agujas de yeso para formar la masa y gradualmente esta masa se endurece y seca. Aunque existen métodos estandarizados para determinar la consistencia y el fraguado del yeso, aún no se han fijado valores específicos deseables, tampoco se  ha  logrado establecer alguna correlación entre estos parámetros y  la facilidad o dificultad para aplicar el yeso en la construcción. Aún predomina la experiencia práctica para encontrar la consistencia adecuada en las mezclas.

Se  considera que  el  yeso  aplicado es  un  aislante, aunque también  es  sensible a  la temperatura ambiental, precisamente por esta razón se le llega a emplear en paneles radiadores de calor en climas fríos. El yeso endurecido es sensible al agua, por lo que al humedecerse llega a desprenderse con facilidad debido a la disolución del mismo, por esta razón se le debe proteger contra el agua.

La resistencia que se puede lograr con el yeso depende de varios factores, entre ellos estan: el tipo de impurezas contenidas en la roca de yeso original, el grado de finura del yeso, el grado  de  cocción  que  se  alcance  y  finalmente  de  lo  aguado  de  la  mezcla.  Manejando adecuadamente estos factores se pueden lograr mejores resultados. Por ejemplo, si se calcina el yeso  molido  hasta  una  temperatura  de  400°C  (deshidratación completa)  y  se  combina  con alumbre, se obtiene un yeso que fragua lentamente pero que endurece mucho más que el yeso común, esto es particularmente útil cuando se desea una superficie lisa, dura y resistente a la penetración de la humedad. El yeso tiene un peso específico menor que el del cemento, un valor promedio para el yeso podría ser 2.6, este peso específico permite que el peso volumétrico de la pasta de yeso sea relativamente bajo. Las mezclas de yeso se hacen en volúmenes pequeños pues su tiempo de trabajo es corto, quizás con un promedio de 10 minutos.

El yeso no se adhiere permanentemente a la madera, al adobe o al acero liso. Por otro lado, debido a su estructura porosa y a su alta solubilidad en agua, el yeso permite la oxidación del acero, por lo que no se le debe usar para proteger al acero de refuerzo. En caso de aplicarse en metales  desplegados  (mallas),  estos  deben  estar  en  interiores  y  las  superficies  deben  ser impermeables.

Proceso de Fabricación del Yeso.

Las etapas del proceso de fabricación del yeso de construcción son las siguientes:

1. Extracción de la roca.- Como se ha mencionado la extracción de la roca de yeso se hace generalmente por medios mecánicos, cuando el material se encuentra en estado puro se consume menos energía. Cuando el material presenta impurezas que le aumentan su grado de dureza se requiere de mayor energía, llegando a emplearse pólvora para facilitar la extracción, en este caso la etapa de trituración posterior se facilita más.

2. Trituración.- La piedra extraída del banco de yeso se tritura por medio de trituradoras de quijada para reducirla a fragmentos de tamaño adecuado para someter el material a una molienda posterior.

3. Molienda.- La finalidad de la molienda es la de reducir el yeso triturado a partículas muy finas con el objeto de facilitar la deshidratación del material, para esto se emplean molinos de rodilllos.

4.- Cocción.- La cocción se realiza en hornos verticales donde el material molido se deshidrata fácilmente. Las moléculas de agua se desprenden a temperaturas cercanas a los 175°C. El agua en forma de vapor sale por la parte superior del horno y el producto cocido se extrae por la parte inferior.  A  medida  que  la  temperatura  de  cocción  es  mayor,  se  logran  obtener  yesos  con diferentes propiedades. La finura del yeso también influye en la calidad del yeso, de manera que entre más fino es el yeso mejor es su calidad en el moldeo de piezas o en los trabajos de decoración

5.- Almacenaje y envasado.- El proceso de deshidratación al que se somete a la roca de yeso pulverizada hace que el material cocido tienda a absorber moléculas de agua del medio ambiente, por lo que es necesario almacenarlo en silos perfectamente impermeables. Generalmente anexo al silo se tiene el sistema de envasado, donde por gravedad se llenan los sacos de papel de 25 Kg de peso, el yeso se acostumbra a comercializar en este tipo de presentación.

Las Piedras en la Construcción.

Las aplicaciones más comunes de las piedras naturales en la construcción se reducen a la decoración, prácticamente ya no se construyen edificios con piedra, sino que se decora con este material tanto en fachadas como en pisos. En todas estas aplicaciones decorativas los esfuerzos de trabajo que debe soportar la piedra son mínimos, en algunos casos solo requiere soportar su propio peso, en otros como es el caso de los pisos tendrá que soportar cargas de tráfico ya sea peatonal o vehicular requiriéndose también una cierta capacidad a la abrasión. Desde este punto de vista es posible emplear una gran variedad de rocas en la construcción, el color, la facilidad para labrar las piedras, la durabilidad, la textura, la porosidad, la disponibilidad y otros aspectos son también importantes en la selección final.

Las piedras se emplean en la construcción de muy diversas maneras, como paneles o tableros sostenidas por estructuras metálicas o ancladas, como piezas de protección y adorno en pretiles, botaguas en ventanas, zoclos y cornisas, etc. La disponibilidad hoy en día de mejores adhesivos permiten lograr una mejor adherencia en las piedras pegadas, estos adhesivos son más estables a  los  cambios volumétricos en  contraste con  los  materiales  tradicionales como  los morteros de cemento Portland, con los cuales se tenía que elegir entre una buena adherencia (más cemento) pero fuertes contracciones, o una buena estabilidad de los morteros (menos cemento) pero baja adherencia. Frecuentemente la dificultad de lograr un adecuado proporcionamiento en los morteros tradicionales se traducía en un eventual desprendimiento de las piedras colocadas. La Figura 2.2 presenta varias formas de colocación de las piedras naturales tanto en fachadas como en pisos.

Resulta poco práctico señalar usos constructivos óptimos para los diferentes tipos de rocas que se conocen.

Preferentemente se deben realizar pruebas y ensayes en las rocas con el objeto de verificar  aquellas  cualidades  ingenieriles  que  se  hayan  considerado  como  importantes  para cumplir con los objetivos fijados en cuanto a la aplicación de las piedras. Sin embargo hay algunas rocas que se han usado tradicionalmente en pisos de lujo o en baños y arreas sanitarias como el granito, el mármol y el travertino (variedad de caliza). Estas piedras una vez pulidas presentan una superficie tersa, de gran belleza y fácil de limpiar. Posiblemente de entre las rocas mencionadas el granito sea la más cara por su dificultad de extracción y porque debido a su dureza  requiere  de  abrasivos  metálicos  para  su  pulido.  Recientemente  han  aparecido en  el mercado productos sintéticos que imitan el granito (derivados plásticos a base de resinas), estos granitos sintéticos ofrecen algunas ventajas como la de resistir el impacto de piezas metálicas, la posibilidad de realizar cortes y uniones con juntas   prácticamente invisibles, la superficie se puede volver a pulir con facilidad para desaparecer ralladuras, el material es más ligero, y otras, sin embargo en el material sintético no se ha podido imitar la textura cristalográfica en toda su belleza natural.

Otras rocas como las pizarras, los esquistos y algunos basaltos y lutitas facilitan su empleo en forma de lajas o placas delgadas, debido a su estructura foliada. Las rocas masivas como  la  arenisca, la  caliza,  la  cuarzita  y  la  dolomita se  emplean frecuentemente en  cortes pequeños llamados piedrines o fachaletas, y por supuesto también se les emplea en forma de losetas (losas pequeñas). Algunas rocas ligeras como las escorias volcánicas, el tezontle y la lava vesicular se cortan en placas pequeñas que se pegan fácilmente a muros y columnas.

Materias Primas para la Fabricacioón del Yeso.

El yeso de construcción proviene del procesamiento de la roca de yeso, ésta roca posee una dureza de 2 en la escala de Mohs, por lo que normalmente se le extrae por medios mecánicos. La roca de yeso en su estado natural es conocida como un sulfato de calcio con dos moléculas de

agua, su formulación química es: Ca SO4 (2H2 O). La roca de yeso rara vez se encuentra en forma pura, generalmente presenta impurezas de diversos minerales que influyen en su calidad, su
forma de cristalización y la coloración que el producto final pueda tomar.

Tejas de Barro.

Las  tejas  de  barro  se  emplean  mucho  para  construir  tejados,  estos  elementos  se sobreponen unos con otros hasta lograr un techo perfectamente impermeable contra la lluvia, existe una gran variedad de tejas, como se muestra en la Figura 3.9, la teja generalmente lleva un vidriado en la cara superior para aumentar la impermeabilidad, aunque también puede no llevar dicho tratamiento.

Figura 3.9. Ejemplos de Piezas de Teja Cerámica.

Tubos de Barro.

En algunos lugares aún se emplean tuberías de barro para la acometida del drenaje sanitario en casas habitación, estos tubos se pueden hacer a mano en mesas de tornear, o bien por medios mecanizados. Los tubos hechos a mano tienen generalmente diámetros no mayores de 20 cm (típicamente de 10 cm) y longitudes variables, los tubos mecanizados pueden ser hasta de 40 cm de diámetro. Los tubos se unen por el extremo campana, existiendo también codos para las deflexiones necesarias. Los tubos de barro también se emplean para fabricar drenes subterráneos y  para  conducir  aguas  pluviales.  Los  tubos  se  prueban  para  determinar  su  capacidad  al aplastamiento y  su  absorción.  En  la  actualidad  este  tipo  de  piezas  cerámicas  están  siendo reemplazadas por las tuberías de concreto, que suelen ser más resistentes a las cargas y al manejo durante la construcción.

Celosias Cerámicas.

Las celosias se forman con la unión de piezas de diferente forma, todas ellas unidas logran integrar verdaderas mallas cuyo propósito puede ser separar o dar sombra sin obstruir totalmente la vista, la Figura 3.8 muestra algunas celosias.

Figura 3.8. Celosias Cerámicas.

Los Mosaicos y Azulejos.

Una variedad de piezas cerámicas que se han usado tradicionalmente en las cocinas y los baños son los mosaicos y los azulejos, Figura 3.7. Estas piezas son generalmente de color o están decoradas, el tratamiento se protege con un vidriado que las vuelve impermeables y fáciles de limpiar. Las piezas son generalmente pequeñas y con espesores hasta de 9 milímetros. Cuando las piezas  son  muy  pequeñas  vienen  adheridas  a  un  papel  para  facilitar  su  colocación. En  la actualidad el empleo de las piezas cerámicas puede ser muy variado y no es nada extraño que se empleen  baldosas  o  losetas  en  los  mismos  baños,  basta  conque  sean  lo  suficientemente impermeables para dar un buen servicio, por otro lado la textura de estas piezas las hace más antiderrapantes y fáciles de limpiar ya que por ser más grandes generan un menor número de juntas. Invariablemente, los mosaicos y azulejos se colocan mejor con adhesivos preparados.

Figura 3.7. Ejemplos de Mosaicos y Azulejos.