Compuestos Químicos e Hidratación del Cemento Portland.

En la fabricación del clínker de cemento portland, durante la calcinación, el calcio combina con otros componentes de la mezcla cruda para formar cuatro compuestos principales que corresponden al 90% de la masa del cemento. Durante la molienda, se añaden yeso (4% hasta 6%) u otra fuente de sulfato de calcio y otros auxiliadores de molienda. Los químicos del cemento usan las siguientes abreviaturas químicas para describir los compuestos:

A= Al2O3, C = CaO, F = Fe2O3, H = H2O, M = MgO, S = SiO2 y Æ = SO3.

Se usa el término “fase” preferiblemente al término “compuesto” para describirse los componentes del clínker.

Siguen los cuatro compuestos principales en el cemento portland, sus fórmulas químicas aproximadas y abreviaturas:

Silicato tricálcico3CaO·SiO2 =C3S

Silicato dicálcico2CaO·SiO2 =C2S

Aluminato tricálcico3CaO·Al2O2 =C3A

Ferroaluminato4CaO·Al2O2·Al2O2 =C4AF tetracálcico

Siguen las formas de sulfato de calcio, sus fórmulas químicas y abreviaturas:

Sulfato de calcio anhidro (anhidrita)

CaSO4 = CaO·SO3 =  CÆ

Sulfato de calcio dihidratado (yeso)

CaSO4 ·2H2O·= CaO·SO3 ·2H2O  =  CÆ H2

Hemidrato de sulfato de calcio

CaSO4 · 1⁄2H2O·= CaO·SO3 · 1⁄2H2O  =  CÆ H1/2

El yeso, sulfato de calcio dihidratado, es la fuente de sulfato más empelada en el cemento.

El C3S y el C2S en el clínker se conocen como alita y belita, respectivamente. La alita constituye del 50% hasta 70% del clínker, mientras que la belita es responsable por sólo 15% hasta 30%. Los compuestos de aluminato constituyen aproximadamente del 5% hasta 10% del clínker y los compuestos de ferrita del 5% hasta 15% (Taylor 1997).

Estos y otros compuestos se los pueden observar y analizar a través del uso de técnicas microscópicas (consulte Fig. 2-25, ASTM C 1356 y Campbell 1999). La Tabla 2.9 trae algunas normas empleadas para el análisis químico.

En presencia de agua, estos compuestos se hidratan (se combinan químicamente con el agua) para formar nuevos compuestos, los cuales son la infraestructura de la pasta de cemento endurecida en el concreto (Fig. 2-26). Los silicatos de calcio, C3S y C2S, se hidratan para formar los compuestos de hidróxido de calcio y silicato de calcio hidratado (arcaicamente llamado de gel de tobermorita). El cemento portland hidratado contiene del 15% hasta 25% de hidróxido de calcio y aproximadamente 50% de silicato de calcio hidratado, en masa. La resistencia y otras propiedades del cemento hidratado se deben principalmente al silicato de calcio hidratado (Fig. 2-27). El C3Areacciona con el agua y el hidróxido de calcio para formar aluminato tetracálcico hidratado. El C4AF reacciona con el agua para formar ferroaluminato de calcio hidratado. El C3A, sulfato (yeso, cemento anhidro (cálculos de Bogue). Debido a las imprecisiones de los cálculos de Bogue, se pueden determinar los porcentajes de los compuestos de manera más precisa a través de las técnicas de difracción de rayos X (ASTM C 1365, IRAM 1714, NTP334.108). La Tabla 2.11 presenta la composición típica de los compuestos elementares así como la finura de cada uno de los principales tipos de cemento portland en los EE.UU.

Normalmente se describen los elementos como óxidos sencillos para la consistencia de las normas. Sin embargo, raramente se encuentran en el cemento en la forma de óxidos. Por ejemplo, el azufre del yeso normalmente se designa como SO3 (trióxido de azufre), sin embargo el cemento no contiene ningún trióxido de azufre. Las cantidades de calcio, sílice y alúmina establecen la cantidad de anhidrita u otra fuente de sulfato) y el agua combinan para formar etringita (trisulfoaluminato de calcio hidratado), monosulfato de calcio y otros compuestos afines. Estas transformaciones básicas de los compuestos se presentan en la Tabla 2.10. Brunauer (1957), Copeland y otros (1960),

Lea (1971), Powers y Brownyard (1947), Powers (1961) y Taylor (1997) presentaron la estructura de los poros y la química de las pastas de cemento. La Figura 2-28 muestra los volúmenes relativos estimados de los compuestos en las pastas hidratadas de cemento portland.

Un modelo computacional para la hidratación y el desarrollo de la microestructura, en la Web, se encuentra en NIST (2001) [http://vcctl.cbt.nist.gov].

El porcentaje aproximado de cada compuesto se puede calcular a través del análisis químico de los óxidos del los compuestos principales en el cemento y efectivamente las propiedades del cemento hidratado. El sulfato está presente para controlar el tiempo de fraguado, bien como la contracción por secado y el aumento de resistencia (Tang 1992). Batí (1995) y PCA(1992) discuten los elementos menores y su efecto en las propiedades del cemento. El conocimiento actual de la química del cemento indica que los compuestos principales del cemento tienen las siguientes propiedades:

Silicato Tricálcico, C3S, se hidrata y se endurece rápidamente y es responsable, en gran parte, por el inicio del fraguado y la resistencia temprana (Fig. 2-29). En general, la resistencia temprana del concreto de cemento portland es mayor, cuando el porcentaje de C3S aumenta.

Silicato Dicálcico, C2S, se hidrata y se endurece lentamente y contribuye grandemente para el aumento de resistencia en edades más allá de una semana.

Aluminato Tricálcico, C3A, libera una gran cantidad de calor durante los primeros días de hidratación y endurecimiento. También contribuye un poco para el desarrollo de las resistencias tempranas. Los cementos con bajos porcentajes de C3 Aresisten mejor a suelos y aguas con sulfatos.

Ferroaluminato Tetracálcico, C4AF, es el producto resultante del uso de las materias primas de hierro y aluminio para la reducción de la temperatura de clinkerización (clin-

querización o cocción) durante la fabricación del cemento.

Este compuesto contribuye muy poco para la resistencia.

La mayoría de los efectos de color para la producción del cemento gris se deben al C4AF y sus hidratos.

Sulfato de Calcio, como anhidrita (sulfato de calcio anhidro), yeso (sulfato de calcio dihidratado) o hemidrato, comúnmente llamado de yeso de parís (sulfato de calcio hemidrato), se adiciona al cemento durante la molienda final, ofreciendo sulfato para la reacción con el C3A y la formación de etringita (trisulfoaluminato de calcio). Esto controla la hidratación del C3A. Sin sulfato, el fraguado del cemento sería rápido. Además del control del fraguado y del desarrollo de resistencia, el sulfato también ayuda a controlar la retracción por secado y puede influenciar la resistencia hasta 28 días (Lerch 1946).

Además de los compuestos principales arriba, existen también numerosas otras formulaciones de compuestos (PCA1997, Taylor 1997, Tennis y Jennings 2000).

Fig. 2-25. (izquierda) El examen de secciones finas pulidas de clinker portland muestra la alita (C3S) como cristales angulares y claros. Los cristales más oscuros y arredondeados son la belita (C2S). Aumento 400X. (derecha) Micrografía del microscopio electrónico de barrido (SEM) de los cristales de alita en el clinker portland. Aumento 3000X 

Tabla 2-9. Normas para el Análisis Químico del
Clínker y del Cemento

* Las normas UNIT –NM son normas para el Uruguay y también
para el MERCOSUR.

Fig. 2-26. Micrografías electrónicas de (izquierda) silicato dicálcico hidratado, (medio) silicato tricálcico hidratado y (derecha)
cemento portland normal hidratado. Observe la naturaleza fibrosa de los productos hidratos de silicato de calcio.
Fragmentos rotos de cristalitas de hidróxido de calcio angular también están presentes (derecha). La unión de las fibras y
la adhesión de las partículas de hidratación son responsables por el desarrollo de la resistencia de las pasta de cemento
portland. Referencias (izquierda y el medio) Brunauer 1962 y (derecha) Copeland y Schulz 1962. (69110, 69112, 69099)

Fig. 2-27. Micrografías electrónicas de barrido de una pasta endurecida de cemento (izquierda) aumento 500X y (derecha)
aumento 1000X). (A7112, A7111)

Tabla 2-10. Reacciones de Hidratación de los Compuestos del Cemento Portland (Expresados en óxidos)

Nota: Esta tabla enseña sólo las transformaciones principales y no las varias transformaciones que ocurren. La composición del silicato de calcio
hidratado (C-S-H) no es estequiométrica (Tennis y Jennings 2000).

Fig. 2-28. Volúmenes relativos de los compuestos principales en la microestrutura de las pastas de cemento en proceso de
hidratación (izquierda) en función del tiempo (adaptado de Locher, Richartz y Sprung 1976) y (derecha) en función del grado
de hidratación, estimado por el modelo de computadora para la relación agua-cemento de 0.50 (adaptado de Tennis y
Jennings 2000). Los valores son para la composición media de un cemento tipo I (Gebhardt 1995): C3S = 55%, C2S=18%,
C3A= 10% y C4AF = 8%. “AFt y AFm” incluyen etringita (AFt) y monosulfoaluminato de calcio (AFm) y otros compuestos
hidratados de aluminato de calcio. Consulte la Tabla 2-5 para la transformación de los compuestos.
 

Tabla 2-11. Composición Química, Composición de los Compuestos y Finura de los Cementos de los EE.UU.

*Estos valores representan un resumen de estadísticas combinadas. Los cementos con aire incluido (incorporado) no están incluidos. Para una
homogeneización de la información, los elementos están expresos en la forma padrón de óxidos. Esto no significa que la forma de óxidos esté
presente en el cemento. Por ejemplo, el azufre se reporta como SO3, trióxido de azufre, pero el cemento portland no contiene trióxido de
azufre. La “composición potencial de los compuestos” se refiere a los cálculos de la ASTM C 150 (AASHTO M 85) usando la composición
química del cemento. La composición real de los compuestos puede ser menor, debido a reacciones químicas incompletas o alteradas.
**Incluyendo los cementos finamente molidos.
Adaptado de PCA(1996) y Gebhardt (1995).

Fig. 2-29. Reactividad relativa de los compuestos del
cemento. La curva llamada “total” tiene una composición del
55% de C3S, 18% de C2S, 10% de C3Ay 8% de C4AF, una com-
posición media del cemento tipo I (Tennis y Jennings 2000).

Cementos Modificados.

El término “cemento portland modificado” usualmente se refiere a un cemento adicionado que contiene principalmente cemento portland, mezclado con pequeñas cantidades (menos que 15%) de adiciones minerales.

Sin embargo, algunas regiones poseen cementos portland modificados que no contienen una adición mineral. El “modificado” se refiere simplemente a una propiedad especial que el cemento posee o se refiere a un cemento que tiene las características de más de un tipo de cemento portland. Para más informaciones, consulte las discusiones anteriores sobre los cementos tipo I(SM), cemento portland modificado con escoria y tipo I (PM), cemento portland modificado con puzolana y las discusiones en “Cementos Hidráulicos”.

Cemento Portland Tipo I (SM).

El cemento portland modificado con escoria, tipo I(SM), se usa para construcciones de concreto en general. 

Este cemento se produce por: (1) molienda conjunta del clínker de cemento portland con la escoria granulada de alto horno, (2) mezcla del cemento portland con la escoria granulada de alto horno finamente molida o (3) una combi- nación de molienda conjunta y mezcla. El contenido de escoria es menor que 25% de la masa del cemento final. Se lo puede especificar con aire incorporado, moderada resistencia a los sulfatos o moderado calor de hidratación a través de la adición de los sufijos A, MS o MH. Un ejemplo sería el tipo I(SM)-A(MH) para el cemento portland modificado con escoria con aire incorporado y moderada resistencia a los sulfatos.

Cemento Portland Tipo S.

El cemento de escoria de alto horno se usa con el cemento portland para la confección de concreto o con cal para el preparo de mortero, pero no se lo emplea separadamente en concreto estructural. El cemento de escoria se produce por: (1) mezclado de la escoria granulada de alto horno y el cemento portland, (2) mezclado de la escoria granulada de alto horno con la cal hidratada o (3) mezclado de una combinación de escoria granulada de alto horno, cemento portland y cal hidratada. El contenido mínimo de escoria es del 70% de la masa del cemento. Se puede especificar el aire incluido en el cemento de escoria con la adición del sufijo A, por ejemplo, tipo S-A.

Cemento Portland Tipo I (PM).

Los cementos portland modificados con puzolana, Tipo I(PM), se usan en construcciones de concreto en general. El cemento se fabrica con la combinación del cemento portland o el cemento portland de alto horno y una puzolana fina. Esta combinación se puede lograr por: (1) el mezclado del cemento portland con la puzolana, (2) el mezclado del cemento portland de alto horno con a puzolana, (3) la molienda conjunta del cemento portland y de la puzolana o (4) la combinación de la molienda y el mezclado. El contenido de puzolana es menor que 15% de la masa del cemento final. Se puede especificar aire incorporado, moderada resistencia a los sulfatos o moderado calor de hidratación en cualquier combinación por la adición de los sufijos A, MS o MH. Un ejemplo del cemento tipo I (PM) con aire incorporado y moderado calor de hidratación sería designado con el tipo I (PM)-A(MH).

Cemento Portland Tipo IS.

Se puede usar el cemento portland de alto horno, tipo IS, para la construcción en concreto en general. El uso histórico de cementos mezclados con escorias data del inicio del siglo XX en Europa, Japón y América del Norte (Abrams 1925). En la producción de estos cementos, la escoria granulada de alto horno tanto se muele juntamente con el clínker del cemento portland como se la muele separadamente y se la mezcla con el cemento portland o entonces se lo produce con la combinación de molienda conjunta y mezclado. El contenido de escoria de alto horno en este cemento está entre 25% y 70% de la masa del cemento. Hay otras subcategorías (propiedades especiales opcionales) tales como aire incluido, moderada resistencia a los sulfatos o moderado calor de hidratación que se especifican con la adición de los sufijos A, MS, MH. Por ejemplo, un cemento portland de alto horno con aire incluido que tiene moderada resistencia a los sulfatos sería llamado Tipo IS-A(MS). Consulte Klieger y Isberner (1967) y PCA(1995).

Cemento Portland Blanco.

El cemento portland blanco es un cemento portland distinto del gris básicamente en el color. Este cemento se produce de acuerdo con las especificaciones de la ASTM C 150, normalmente tipo I o tipo III. El proceso de producción se controla de tal manera que el producto final sea blanco.

El cemento portland blanco se fabrica con materias primas seleccionadas que contienen cantidades insignificantes de óxidos de hierro y magnesio, pues son estas substancias las que le dan el color gris al cemento. El cemento portland blanco se usa principalmente con finalidades arquitectónicas en muros estructurales, concreto prefabricado (premoldeado) y concreto reforzado con fibras de vidrio (CRFV), paneles de fachada, superficies de pavimento, estuco, pinturas en cemento, mortero para ladrillos y concreto decorativo (Fig. 2-18). Se recomienda su empleo siempre que sean deseados concretos, lechadas o morteros blancos o coloridos. Se debe especificar el cemento portland blanco como: cemento portland atendiendo a las especificaciones ASTM C 150, tipos (I, II, III o V). El cemento blanco también se usa en la fabricación de cemento de albañilería (masonería o mampostería) blanco de acuerdo con la norma ASTM C91 y el cemento plástico blanco de acuerdo con la ASTM C 1328 (PCA1999).El cemento blanco se produjo por primera vez en EE. UU. En York, Pensilvania en 1907. Consulte Farny (2001) para más informaciones.

Fig. 2-18. El cemento portland blanco se utiliza en concreto arquitectónico blanco o de colores claras, variando de (de la izquierda para la derecha) terrazos para pisos, enseñado aquí con cemento blanco y agregado de granito verde (68923), para miembros decorativos estructurales premoldeados o moldeados en obra (68981), para el exterior de los edificios. La foto de la derecha muestra el edificio en concreto premoldeado blanco de la sede de la ASTM en West Conshohocken, Pennsylvania.

Cemento Portland Tipo V.

El cemento tipo V se utiliza en concretos expuestos a la acción severa de sulfatos – principalmente donde el suelo y el agua subterránea tienen alta concentración de sulfatos

(Fig. 2-13 hasta 2-15). Su desarrollo de resistencia es más lento que en el cemento tipo I. La Tabla 2-2 trae la lista de las concentraciones de sulfatos que requieren el uso del cemento tipo V. La alta resistencia a los sulfatos del cemento tipo V se atribuye al bajo contenido de aluminato tricálcico, no excediendo a 5%. El uso de baja relación agua- materiales cementantes y baja permeabilidad son funda- mentales para el buen desempeño de cualquier estructura expuesta a los sulfatos. Incluso el concreto con cemento tipo V no puede soportar una exposición severa a los sulfatos si tiene alta relación agua- materiales cementantes (Fig. 2-15 superior). El cemento tipo V, como otros cementos, no es resistente a ácidos y a otras substancias altamente corrosivas.

La ASTM C 150 (AASHTO M 85) permite un enfoque físico y químico (ASTM C 452 ensayo de expansión) para la garantía de la resistencia a los sulfatos del cemento tipo V.

Se puede especificar cualquiera de los enfoques tanto físico como químico, pero no ambos simultáneamente.

Fig. 2-13. (Izquierda) Desempeño en suelos con sulfatos de concretos preparados con diferentes tipos de cemento. Los cementos tipos II y V tienen menor contenido de C3A, lo que mejora la resistencia  a los sulfatos. (Derecha) La mejoría de la resistencia a los sulfatos resultante de la baja relación agua-materiales cementantes, como demostrado por vigas de concreto expuestas a suelos con sulfatos en un ambiente de mojadura y secado. Se presentan los promedios para concretos conteniendo una gran variedad de materiales cementantes, incluso los cementos tipos I, II, V, cementos adicionados, puzolanas y escorias. Véase la Fig.2-15 para la ilustración de las tasas y la descripción de las vigas de concreto. (Stark 2002) 

Fig. 2-14. Los cementos de moderada resistencia a los sulfatos y alta resistencia a los sulfatos mejoran la resistencia a los sulfatos de los miembros de concreto, tales como (de la izquierda a la derecha) losas sobre el suelo, tubería y postes de concreto expuestos a suelos con alto contenido de sulfatos. (68985, 52114, 68986)

Fig. 2-15. Las muestras de pruebas usadas en el ensayo de sulfatos en ambiente externo en Sacramento, California son vigas de 150 x 150 x 760 mm (6 x 6 x 30 pulg.).Se ilustra la comparación de las tasas: (superior) la tasa de concretos de 5 hasta 12 años, preparados con cemento tipo V y relación agua-cemento de 0.65; y (inferior) la tasa de concretos de 2 hasta 16 años, preparados con cemento tipo V y relación

agua-cemento de 0.38 (Stark 2002). (68840, 68841)

Cemento Portland Tipo IV.

El cemento tipo IV se usa donde se deban minimizar la tasa y la cantidad de calor generado por la hidratación. Por lo tanto, este cemento desarrolla la resistencia en una tasa más lenta que otros tipos de cemento. Se puede usar el cemento tipo IV en estructuras de concreto masivo (hormigón masa), tales como grandes presas por gravedad, donde la subida de temperatura derivada del calor generado durante el endurecimiento deba ser minimizada (Fig. 2-16).

El cemento tipo IV raramente está disponible en el mercado.


Fig. 2-16. Los cementos de moderado calor y bajo calor de hidratación minimizan el calor generado en miembros de concreto masivo o estructuras, tales como (izquierda) apoyos espesos de puente y (derecha) presa. La presa de Hoover, enseñada aquí, usó el cemento tipo IV para controlar el aumento de temperatura (65258, 68983)

Cemento Portland Tipo III.

El cemento tipo III ofrece resistencia a edades tempranas, normalmente una semana o menos. Este cemento es química y físicamente similar al cemento tipo I, a excepción de que sus partículas se muelen más finamente. Es usado cuando se necesita remover las cimbras (encofrados) lo más temprano posible o cuando la estructura será puesta en servicio rápidamente. En clima frío, su empleo permite una reducción en el tiempo de curado (Fig. 2-17). A pesar de que se puede usar un alto contenido de cemento tipo I para el desarrollo temprano de la resistencia, el cemento tipo III puede ofrecer esta propiedad más fácilmente y más económicamente.

 

Fig. 2-17. Los cementos de alta resistencia inicial se usan donde la resistencia temprana es necesaria, tales como (de la izquierda para la derecha) colocación en tiempo frío, pavimentos de rápida habilitación al tránsito (fast track) para minimizar los embotellamientos y rápida remoción de las cimbras para la concreto premoldeado. (65728, 59950, 68668)

Cemento Portland Tipo II.

El cemento tipo II se usa donde sean necesarias precauciones contra el ataque por sulfatos. Se lo puede utilizar en estructuras normales o en miembros expuestos a suelos o agua subterránea, donde la concentración de sulfatos sea más alta que la normal pero no severa (consulte la Tabla 2-2 y las Fig. 2-13 a 2-15). El cemento tipo II tiene propiedades de moderada resistencia a los sulfatos porque contiene no más del 8% de aluminato tricálcico (C3A).

Los sulfatos en suelos húmedos o en agua penetran en el concreto y reaccionan con el C3Ahidratado, ocasionando expansión, descascaramiento y agrietamiento del concreto.

Algunos compuestos de sulfato, tales como los sulfatos de magnesio, atacan directamente el silicato de calcio hidratado.

Para controlar el ataque del concreto por los sulfatos, se debe emplear el cemento tipo II acompañado del uso de baja relación agua-material cementante y baja permeabilidad.

La Figura 2-13 (izquierda) ilustra la mejoría de la resistencia a los sulfatos del cemento tipo II en comparación al cemento tipo I.

El concreto expuesto al agua del mar normalmente se produce con el cemento tipo II. El agua del mar contiene cantidades considerables de sulfatos y cloruros. A pesar de la capacidad de los sulfatos del agua del mar en atacar el concreto, la presencia de los cloruros inhibe la reacción expansiva, que es una característica del ataque por sulfatos.

Los cloruros y los sulfatos están ambos presentes en el concreto y compiten por las fases aluminato. Los productos de la reacción del ataque por sulfatos son mucho más solubles en la solución de cloruros y se pueden lixiviar del concreto. Las observaciones de muchas fuentes muestran el desempeño en agua del mar de los concretos con cemento portland con un contenido de C3Atan alto cuanto 10%.

Estos concretos han presentado durabilidad satisfactoria, desde que su permeabilidad sea baja y haya un recubrimiento adecuado del acero de refuerzo (armadura) (Zhang, Bremner, y Malhotra 2003).

Los cementos tipo II, especialmente producidos para satisfacer a los requisitos de moderado calor de hidratación, una opción de la ASTM C 150 (AASHTO M 85), van a generar una tasa de liberación de calor más lenta que el cemento tipo I y la mayoría de los cementos tipo II. El comprador tiene la opción de especificar el requisito de moderado calor de hidratación. Un cemento en el cual se especifica el máximo calor de hidratación se lo puede utilizar en estructuras de gran volumen, tales como pilares (pilas, estribos) y cimientos (cimentaciones, fundaciones) grandes y muros (paredes) de contención de gran espesor (Fig. 2-16). Su empleo va a disminuir la subida de temperatura y la temperatura relacionada con la fisuración, la cual es especialmente importante cuando se cola el concreto en clima caluroso.

Debido a su disponibilidad, el cemento tipo II se utiliza, algunas veces, en todas las partes de la construcción, sin tener en cuenta la necesidad de resistencia a los sulfatos o de moderado calor de hidratación. Algunos cementos se pueden etiquetar con más de una designación, por ejemplo Tipo I/II. Esto simplemente significa que tal cemento atiende a los requisitos de ambos los cementos tipo I y tipo II.

 

Fig. 2-13. (Izquierda) Desempeño en suelos con sulfatos de concretos preparados con diferentes tipos de cemento. Los cementos tipos II y V tienen menor contenido de C3A, lo que mejora la resistencia  a los sulfatos. (Derecha) La mejoría de la resistencia a los sulfatos resultante de la baja relación agua-materiales cementantes, como demostrado por vigas de concreto expuestas a suelos con sulfatos en un ambiente de mojadura y secado. Se presentan los promedios para concretos conteniendo una gran variedad de materiales cementantes, incluso los cementos tipos I, II, V, cementos adicionados, puzolanas y escorias. Véase la Fig.2-15 para la ilustración de las tasas y la descripción de las vigas de concreto. (Stark 2002)

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Tabla 2-2. Tipos de Cemento Requeridos para la Exposición del Concreto a los Sulfatos en Suelo o en Agua

*Agua de mar.

**También se pueden utilizar puzolanas o escorias que, a través de ensayos o registro de servicio, mostraron ser capaces de mejorar la resistencia a los sulfatos. Método de ensayo: Método para la determinación de la Cantidad de Sulfatos Solubles en el Suelo (Suelo o Rocas) y Muestras de Agua, Departamento de Recursos Hídricos Norteamericano (U.S. Bureau of Reclamation, 1977).   

Fig. 2-14. Los cementos de moderada resistencia a los sulfatos y alta resistencia a los sulfatos mejoran la resistencia a los sulfatos de los miembros de concreto, tales como (de la izquierda a la derecha) losas sobre el suelo, tubería y postes de concreto expuestos a suelos con alto contenido de sulfatos. (68985, 52114, 68986)

Fig. 2-15. Las muestras de pruebas usadas en el ensayo de sulfatos en ambiente externo en Sacramento, California son vigas de 150 x 150 x 760 mm (6 x 6 x 30 pulg.).Se ilustra la comparación de las tasas: (superior) la tasa de concretos de 5 hasta 12 años, preparados con cemento tipo V y relación agua-cemento de 0.65; y (inferior) la tasa de concretos de 2 hasta 16 años, preparados con cemento tipo V y relación

agua-cemento de 0.38 (Stark 2002). (68840, 68841)

Fig. 2-16. Los cementos de moderado calor y bajo calor de hidratación minimizan el calor generado en miembros de concreto masivo o estructuras, tales como (izquierda) apoyos espesos de puente y (derecha) presa. La presa de Hoover, enseñada aquí, usó el cemento tipo IV para controlar el aumento de temperatura (65258, 68983)

 

Cemento Portland Tipo I.

El cemento tipo I es un cemento para uso general, apropiado para todos los usos donde las propiedades especiales de otros cementos no sean necesarias. Sus empleos en concreto incluyen pavimentos, pisos, edificios en concreto armado, puentes, tanques, embalses, tubería, unidades de mampostería y productos de concreto prefabricado y precolado (Fig. 2-12).

Fig. 2-12. El uso típico del cemento normal o el uso general incluye (de la izquierda a la derecha) pavimentos de autopistas, pisos, puentes y edificios. (68815, 68813, 63303, 68809)

Tipos de Cemento Portland en los EE.UU.

Se fabrican diferentes tipos de cemento portland para satisfacer a varios requisitos físicos y químicos para aplicaciones específicas. Los cementos portland se producen de acuerdo con las especificaciones ASTM C 150, AASHTO M

85 o ASTM C 1157.

La ASTM C 150, Especificaciones de Norma para el Cemento Portland  (Standard Specification for Portland Cement), designa ocho tipos de cementos, usando los números romanos, como sigue:

Tipo I Normal

Tipo IA Normal con aire incluido

Tipo II Moderada resistencia a los sulfatos

Tipo IIA Moderada resistencia a los sulfatos con aire incluido

Tipo III Alta resistencia inicial (alta resistencia temprana)

Tipo IIIA Alta resistencia inicial con aire incluido

Tipo IV Bajo calor de hidratación

Tipo V Alta resistencia a los sulfatos

La AASHTO M 85, Especificaciones para el Cemento Portland (Specification for Portland Cement), también usa cinco designaciones para el cemento portland del I al V.

Los requisitos de la M 85 son casi idénticos a los de la ASTM C 150. Las especificaciones de la AASHTO se usan por algunos departamentos de transporte estatales en lugar de las normas ASTM.

La ASTM C 1157, Especificaciones de Desempeño para los Cementos Hidráulicos (Performance Specification for Hydraulic Cements), trae seis tipos de cementos, conforme se discutirá más adelante en “Cementos Hidráulicos”.

Sigue una revisión detallada de los cementos de la ASTM C 150 y de la AASHTO M 85.

PRODUCCIÓN DEL CEMENTO PORTLAND.

El cemento portland se produce por la pulverización del clínker, el cual consiste principalmente en silicatos de calcio hidráulicos. El clínker también contiene algunos aluminatos de calcio y ferroaluminatos de calcio y una o más formas de sulfato de calcio (yeso) que se muele juntamente con el clínker para la fabricación del producto final.

Los materiales usados para la producción del cemento portland deben contener cantidades apropiadas de los compuestos de calcio, sílice, alúmina e hierro. Durante la fabricación, se hace análisis químico frecuente de todos los materiales para garantizarse una calidad alta y uniforme del cemento.

 

Fig. 2-5. Vista aérea de una planta de cemento.

Los diagramas en las Figuras 2-3 y 2-4 muestran las etapas de la fabricación del cemento. Como las operaciones de las plantas de cemento no son básicamente iguales, no se pueden ilustrar adecuadamente por un mismo gráfico todas las plantas. No hay instalaciones típicas para la producción del cemento; cada planta tiene diferencias significantes en disposición, equipos o apariencia general (Fig. 2-5).

Fig. 2-6. Caliza, una de las principales materias primas, fornece el calcio para la producción de cemento y se extrae cerca de la planta de cemento.

Las materias primas seleccionadas (Tabla 2-1) se transportan de la cantera (Fig. 2-6), se trituran (Fig. 2-7), se muelen y se dosifican de tal manera que la harina resultante tenga la composición deseada. La harina cruda es generalmente una mezcla de material calcáreo (carbonato de calcio), tal como la caliza y material arcilloso (sílice y alúmina), tal como arcilla, pizarra (esquisto) o escoria de alto horno. El cemento se fabrica tanto por vía seca como por vía húmeda. En el proceso de vía seca, las operaciones de molienda y mezcla se efectúan con los materiales secos, ya en el proceso vía húmeda los materiales se mezclan con agua en la forma de lechada. En otros aspectos, el proceso seco y el proceso húmedo son muy similares. La Figura 2-4 ilustra desarrollos tecnológicos importantes, los cuales pueden mejorar considerablemente la productividad y la eficiencia energética de las plantas con proceso seco.

Fig. 2-7. Las rocas extraídas son llevadas por los camiones hasta los triturados primarios.

Después del mezclado, se alimenta la materia prima molida en la parte superior del horno (Fig. 2-8). La harina cruda pasa a lo largo del horno en una tasa controlada por la inclinación y la velocidad de rotación del horno. El combustible (carbón, aceite nuevo o reciclado, fuel-oil, gas natural, llantas de goma y subproductos) se fuerza hacia la parte inferior del horno donde las temperaturas de 1400°C a 1550°C cambian químicamente el material crudo en clínker, pelotitas grises con tamaño predominante de canicas (Fig. 2-9). La Figura 2-10 muestra el proceso de producción del clínker desde la alimentación de la materia prima hasta el producto final. 

Después de esto, el clínker se enfría y se pulveriza durante esta operación, se adiciona una pequeña cantidad de yeso (Fig. 2-11) para controlar el tiempo de fraguado (fragüe) del cemento y para que se mejoren las propiedades de retracción y el desarrollo de resistencia (Lerch 1946 y Tang 1992). En el molino, el clínker se muele tan fino que puede pasar, casi completamente, a través de un tamiz (cedazo) de 45 micrómetros (malla No. 325). Este polvo gris  extremamente fino es el cemento portland (Fig. 2-1).

 Tabla 2-1. Fuentes de las Materias Primas Usadas y la Fabricación del Cemento Portland

Fig. 2-8. Horno rotatorio para la manufactura del clinker de cemento. La foto menor, abajo y a la derecha trae una vista del interior del horno. (58927, 25139)

Fig. 2-9. El clinker de cemento portland se forma por la calcinación en el horno del material crudo calcáreo y sílice. Este clinker específico tiene un diámetro de 20 mm (3⁄4 pulg.) (60504)

Fig. 2-11. El yeso, la fuente de sulfato, se muele juntamente con el clinker para formar el cemento portland. El yeso ayuda a controlar el tiempo de fraguado, las propiedades de retracción por secado y el desarrollo de resistencia. 

 Fig. 2-10. Proceso de producción del clínker de la materia prima al producto final.

Los Inicios de la Industria del Cemento.

Los constructores antiguos usaban la arcilla para unir piedras para formar una estructura sólida de protección. El concreto más antiguo descubierto data de cerca de 7000 AC y fue encontrado en 1985, cuando se destapó un piso de concreto durante la construcción de una carretera en Yiftah

El en Galilea, Israel. Éste consiste en un concreto de cal, preparado con caliza calcinada para producir cal rápida (cal viva, cal virgen), la cual cuando mezclada al agua y a la piedra, se endureció formando el concreto (Brown 1996 y Auburn 2000).

En aproximadamente 2500 AC, se empleó un material cementante entre los bloques de piedras en la construcción de la gran pirámide en Giza, en el Egipto antiguo. Algunos informes dicen que era un mortero de cal, mientras que otros dicen que el material cementante se produjo por la quema de sulfato de calcio. En 500 AC, el arte de la producción de morteros a base de cal llegó a la Grecia antigua. Los griegos usaban materiales a base de cal como aglomerantes (conglomerantes) entre piedras y ladrillos y como material para una capa de revestimiento de calizas porosas normalmente usadas en la construcción de sus templos y palacios.

Fueron encontrados ejemplos del concreto del antiguo imperio romano, que datan de 300 AC. La palabra concreto es derivada del latín “concretus”, que significa crecido junto o compuesto. Los romanos perfeccionaron el uso de puzolanas como material cementante. En un momento del siglo II AC, los romanos extrajeron cenizas volcánicas cerca de Pozzuoli; pensando que era arena, la mezclaron con cal y descubrieron que la mezcla era mucho más resistente que las que se produjeron anteriormente. La descubierta tuvo un efecto importante en la industria de la construcción. El material no era arena, pero una ceniza volcánica fina, conteniendo sílice y alúmina, las cuales combinadas químicamente con la cal, producen lo que se llama cemento puzolánico.

Los constructores de los famosos muros de Roma, acueductos y otras estructuras históricas, incluyendo el teatro en Pompea (con capacidad para 20,000 espectadores), el Coliseo y el Panteón en Roma usaron este material. Parece que la puzolana fue ignorada durante la edadmedia, cuando las prácticas de construcción eran mucho menos refinadas que las antiguas y la calidad de los materiales cementantes deteriorada. La práctica de calcinación de la cal y el uso de puzolanas no se usó nuevamente hasta el siglo XIV.

No se hicieron esfuerzos hasta el siglo XVIII para determinarse porque algunas cales poseían propiedades hidráulicas mientras que otras (aquellas producidas de calizas fundamentalmente puras) no las poseían. John Smeaton, frecuentemente llamado el “padre de la ingeniería civil en Inglaterra”, concentró su trabajo en este campo.

Descubrió que las calizas impuras y blandas, conteniendo materiales arcillosos, producían los mejores cementos hidráulicos. Él ha empleado este cemento combinado con la puzolana, importada de Italia, en su proyecto para la reconstrucción del faro de Eddystone en el Canal de la Mancha, sudoeste de Plymouth, Inglaterra. El proyecto llevó tres años para que se terminara y la operación comenzó en 1759. Se ha reconocido esta obra como una importante realización en el desarrollo de la industria del cemento. Un gran número de descubrimientos se siguieron en la industria del cemento natural, provenientes de los esfuerzos direccionados para la producción de un material de calidad consistente.

La diferencia entre la cal hidráulica y el cemento natural es función de la temperatura alcanzada durante la calcinación. Además, una cal hidráulica puede hidratarse en una forma de “terrón”, mientras que los cementos naturales deben ser finamente molidos antes de la hidratación.

El cemento natural es más resistente que la cal hidráulica, pero menos resistente que el cemento portland. El cemento natural se fabricó en Rosendale, Nueva York en el inicio del siglo XIX (White 1820) y se empleó en la construcción del canal Erie en 1818 (Snell y Snell 2000).

El desarrollo del cemento portland es el resultado de la investigación persistente de la ciencia y la industria para producir un cemento natural de calidad superior. La invención del cemento portland se atribuye normalmente a Joseph Aspdin, un albañil inglés. En 1824, obtuvo la patente para este producto, al cual lo nominó cemento portland pues producía un concreto con color semejante a la caliza natural que se explotaba en la isla de Portland en el Canal de la Mancha (Fig. 2-2) (Aspdin 1824). Este nombre permanece hasta hoy y se usa en todo el mundo, con la adición de las marcas y nombres comerciales de sus productores.

Aspdin fue el primero a prescribir una fórmula para el cemento portland y el primero a patentarlo. Sin embargo, en 1845, I. C. Johnson de White and Sons, Swanscombe, Inglaterra, afirmó que había “quemado el cemento crudo con una temperatura extraordinariamente alta hasta que la masa casi se vitrificó”, produciendo un cemento portland como ahora lo conocemos. Este cemento se volvió la elección popular en la mitad del siglo XIX y se exportó de Inglaterra para varias partes del mundo. La producción también empezó en Bélgica, Francia y Alemania aproxi- madamente en el mismo periodo y la exportación de estos productos de Europa para los Estados Unidos comenzó en 1865. El primer embarque de cemento portland para los EE.UU. fue en 1868. El primer cemento portland producido en EE.UU. se fabricó en una planta en Coplay, Pensilvania, en 1871. La producción de cemento en Latinoamérica empezó al final del siglo XIX y principio del siglo XX: 1888 en Brasil, 1897 en Guatemala, 1898 en Cuba, 1903 en México, 1907 en Venezuela, 1908 en Chile, 1909 en Colombia, 1912 en Uruguay, 1916 en Perú, 1919 en Argentina, 1923 en Ecuador, 1926 en Paraguay, 1928 en Bolivia y más recientemente en 1936 en Puerto Rico, 1941 en Nicaragua y 1949 en El Salvador (Bowles, Taeves 1946).

Descargar:  Fig. 2-4. Etapas en la producción moderna del cemento portland, a través del proceso seco.

Cementos Portland, Cementos Adicionados y Otros Cementos Hidráulicos.

Los cementos portland son cementos hidráulicos compuestos principalmente de silicatos hidráulicos de calcio (Fig. 2-1). Los cementos hidráulicos se fraguan y se endurecen por la reacción química con el agua. Durante la reacción, llamada hidratación, el cemento se combina con el agua para formar una masa similar a una piedra, llamada pasta. Cuando se adiciona la pasta (cemento y agua) a los agregados (arena y grava, piedra triturada piedra machacada, pedrejón u otro material granular), la pasta actúa como un adhesivo y une los agregados para formar el concreto, el material de construcción más versátil y más usado en el mundo.

La hidratación empieza así que el cemento entra en contacto con el agua. En la superficie de cada partícula de cemento se forma una camada fibrosa que gradualmente se propaga hasta que se enlace con la camada fibrosa de otra partícula de cemento o se adhiera a las substancias adyacentes. El crecimiento de las fibras resulta en rigidización, endurecimiento y desarrollo progresivo de resistencia. La rigidización del concreto puede reconocerse por la pérdida de trabajabilidad, la cual normalmente ocurre después de 3 horas de mezclado, pero es dependiente de la composición y finura del cemento, de cualquier aditivo usado, de las proporciones de la mezcla y de las condiciones de temperatura. Consecuentemente, el concreto fragua y se endurece.

La hidratación continúa desde que existan condiciones favorables de temperatura y humedad (curado) y espacio disponible para la formación de los productos de hidratación. Amedida que la hidratación continúa, el concreto se vuelve más duro y resistente. Gran parte de la hidratación y del desarrollo de la resistencia ocurre a lo largo del primer mes, pero si hay humedad y temperatura adecuadas, continúa de manera más lenta, por un largo periodo. Se ha reportado el aumento continuo de resistencia, excediendo 30 años (Washa y Wendt 1975 y Word 1992).

Fig. 2-1. El cemento portland es un polvo fino que cuando se mezcla con el agua se convierte en un pegamento que mantiene los agregados unidos en el concreto. (58420)

Resistencia Química del Concreto.

El concreto de cemento portland es resistente a la mayoría de los medio ambientes; sin embargo, el concreto a veces es expuesto a substancias que pueden atacar y causar deterioración. El concreto en la industria química y en las instalaciones de almacenamiento es especialmente propenso al ataque químico. El efecto del sulfato y de los cloruros se discute en este capítulo. En el ataque ácido del concreto hay disolución de la pasta de cemento y de los agregados calcáreos. Además del uso de concreto con baja permeabilidad, los tratamientos de superficie pueden ayudar a evitar que las substancias agresivas entren en contacto con el concreto. Kerkhoff 2001 analiza los efectos de centenas de productos químicos en el concreto y trae una lista de tratamientosque pueden ayudar en el control del ataque químico.