CEMENTO

DEFINICION NATURAL:

Es cualquier material aglomerante, aglutinante capaz de unir fragmentos de propiedades físicas diferentes. Entre estos tenemos a las calizas naturales calcinadas.

DEFINICION QUIMICA:

Es un compuesto con propiedades adhesivas que tiene la capacidad de unir fragmento en forma sólida o en forma líquida. En esta categoria tenemos el cemento duco, acrílico (pegadit), la cal y el cemento asfáltico (asfalto).

DEFINICION DE INGENIERIA:

El cemento se conoce como cemento portlan. Es una mezcla de calizas y arcillas pulverizadas a grandes temperaturas, con adición de yeso que al entrar en contacto con el agua, desarrolla la capacidad de unir fragmentos de grava y arena, para formas un sólido único o piedra artificial, conocida con el nombre de concreto hidraúlico.

CEMENTO PORTLAND:

El cemento Portland es llamado así puesto que tiene un parecido con una piedra natural que se encuentra en Inglaterra, precisamente en Portland, se le denomina aglomerante hidráulico ya que es capaz de desarrollar todas sus propiedades en presencia del agua como son el Fraguado y Endurecimiento. La definición es la misma que tiene el cemento Actual.

RESEÑA HISTORICA DEL CEMENTO:

El origen del cemento es tan antiguo, como la humanidad ya que la necesidad que ha tenido el hombre de construir su propio hábitat, así como las estructuras necesarias para su progreso, ha constituido el factor principal en la búsqueda de materiales para esta finalidad.

Su nombre primitivo, o mejor dicho su origen viene de la ceniza calcinada, el cual era observado porque en la noche el hombre armaba fuegos, al quedar la ceniza calcinada y mezclada con la lluvia nocturna, se endurecía, La cal común se obtiene al calcinar la piedra caliza, la diferencia entre la cal común y la cal hidráulica radica en que la cal común se endurece en presencia de CO contenido en el aire y por lo tanto no puede ocurrir bajo el agua; la cal hidráulica por proceder de calizas impuras, se endurece por la reacción que se produce entre los elementos constitutivos, lo cual permite que su fraguado pueda darse bajo agua; de ahí procede el nombre de cal hidráulica. Los Egipcios usaron el yeso además de la cal. Tanto los Romanos como los Griegos mezclaban cal con cenizas volcánicas o con tejas de arcillas quemadas, obteniendo un material de condiciones muy superiores a los de la cal común. La sílice activa y la alúmina que se encuentran en las cenizas y en las tejas con la cal para producir lo que es conocido como cemento puzolánico, proveniente del nombre de Puzzuoli ciudad que queda en el Golfo de Nápoles, Italia, cerca del Vesubio. en este sitio los Romanos extraían el material volcánico que mezclaban con la cal, estos utilizaron éste cemento para construir el Coliseo de Roma y el Pont du Gard. Los Griegos obtenían estos materiales en la Isla Santorin.

En la edad media hubo una disminución general en la calidad y uso del cemento. En 1756 Jhon Smeaton encontró que el mejor mortero se obtenía cuando se mezclaba puzolana con caliza que contenía una alta cantidad de material arcilloso, Smeaton fue el primero en conocer las propiedades químicas de la cal hidráulica. Posteriormente en 1824, Jhosep Aspin conoció los estudios de Smeaton y continuo las investigaciones llegando a obtener un material que al mezclarlo con el agua reaccionaba dando lugar al endurecimiento de la pasta producida. Este material endurecido presentaba un aspecto similar al de unas piedras de construcción extraídas en Inglaterra, en la localidad de Portland.. El prototipo del cemento moderno fue obtenido en 1845 por Isaac Johnson, quien quemo una mezcla de arcilla y caliza hasta la formación del clinker. En general el cemento portland, concebido originalmente por la semejanza de color y calidad entre el cemento fraguado y la piedra de portland, éste cemento se ha conservado en nuestros días para describir un cemento obtenido en la mezcla minuciosa de materiales calcáreos y arcillosos y otros materiales que contienen sílice, alúmina y quemándolos a una temperatura da la formación del clinker.

En 1860-1880 Le Chatelier investigo acerca del peso específico del cemento, Vicat acerca del fraguado, Abrahams acerca de la relación agua cemento, en USA se encuentra la PCA (asociación de Cemento Portland), en Suiza se encuentra las casas de aditivos (sika y Toxement), en Colombia tenemos las cementeras: Samper, diamante, Boyacá, Toluviejo, colclinker.

En USA, existe la PCA

En Inglatera, existe la BRITISTL

En Suiza, existe SIKA y TOXEMENT

Las 4 instituciones que rigen las producciones del cemento son:

I.C.P.C = Industria Colombiana de Producción del Cemento.

ICONTEC = Instituto Colombiano de Normas Técnicas.

C.C.C.S.R = Código Colombiano de Construcciones Sismo Resistente.

ASOCRETO = Asociación Colombiana de Productores de Concreto.

FABRICACION DEL CEMENTO:

El cemento es la combinación entre la cal (caliza) más sílice (arcilla), las calizas son grandes piedras y se consiguen como rocas mientras que las arcillas son más sueltas y se consiguen como barros.

Cuando se está fabricando el cemento se les agregan otras adiciones (cenizas volcánicas, puzolanas, escorias de alto horno), que cumplen con diferentes funciones especiales. Estas materias primas se someten a un proceso de clinkerización (a altas temperaturas), todo esto va a producir un polvo gris oscuro, que fragua muy rápidamente con el agua, al finalizar este proceso se le adiciona yeso con el fin de retardar el tiempo de fraguado.

ETAPAS DE LA FABRICACION DEL CEMENTO:

EXPLOTACION DE MATERIAS PRIMAS:

Consiste en la extracción de las piedras calizas y las arcillas de los depósitos o canteras, las cuales dependiendo de sus condiciones físicas se hacen los diferentes sistemas de explotación, luego el material se transporta a la fábrica.

PREPARACION Y CLASIFICACION DE LAS MATERIAS PRIMAS:

Una vez extraídos los materiales, en la fábrica se reduce el tamaño de la caliza siguiendo ciertas especificaciones dada para la fabricación. Su tamaño se reduce con la trituración hasta que su tamaño oscile entre 5 a 10mm.

HOMOGENIZACION:

Consiste en hacer mezcla de las arcillas y calizas, que ya han sido trituradas, se lleva por medio de bandas transportadoras o molinos, con el objetivo de reducir su tamaño hasta el orden de diámetro de medio milímetro. En ésta etapa se establece la primera gran diferencia de los sistemas de producción del cemento, (procesos húmedos y procesos secos).

CLINKERIZACION:

Consiste en llevar la mezcla homogeneizada a hornos rotatorios a grandes temperaturas aproximadamente a 1450°C, en la parte final del horno se produce la fusión de varios de los componentes y se forman gránulos de 1 a 3 cm de diámetro, conocido con el nombre de clinker.

ENFRIAMIENTO:

Después que ocurre el proceso de clinkerización a altas temperaturas, viene el proceso de enfriamiento en la cual consiste en una disminución de la temperatura para poder trabajar con el material, éste enfriamiento se acelera con equipos especializados.

ADICIONES FINALES Y MOLIENDA:

Una vez que el clinker se halla enfriado, se prosigue a obtener la finura del cemento, en la cual consiste en moler el clinker, después se le adiciona yeso con el fin de retardar el tiempo de fraguado.

EMPAQUE Y DISTRIBUCION:

Esta última etapa consiste en empacar el cemento fabricado en bolsas de 50 kilo, teniendo mucho cuidado con diversos factores que puedan afectar la calidad del cemento, luego se transporta y se distribuye con cuidados especiales.

COMPOSICION QUIMICA:

El cemento se compone:

Arcilla: Son silicatos hidratados de alúmina y de cal.

LOS COMPUESTOS DEL CEMENTO:

SILICATO TRICALCICO (c3 S) 3CaOSiO2

SILICATO BICALCICO (c2 A) 2CaOSiO2

ALUMINATO (c3 A) 3CaOAl2O3

TRICALCICO

FERROALUMINATO (c4 AF) 4CaOAl2O3Fe2O3

TETRACALCICO

La composición anterior como compuestos de Bogue.

Según Bogue se producen tres fases química del cemento.

FASES	BASE DE LA FASE	% EN EL CEMENTO
ALITA	C3S	75%
BELITA	C2S
FERRITA	C4AF	20%
FASES MENORES		5%

EL C3 S se hidrata más rápidamente que el C2 S, lo que ayuda al tiempo de fraguado y de su resistencia inicial. La acción endurecedora del C3 S es de 24 horas a siete días, mientras que la del C2 S es de 7 a 28 días. El C4 AF cumple con una función catalizadora y aporta poca resistencia al concreto.

CAMBIOS OCURRIDOS EN EL PROCESO DE CLINKERIZACION DENTRO DEL HORNO ROTATORIO

TEMPERATURA	PROCESO	REACCION
100°C	Evapoiacionde agua libre	endotermica
> 500°C	Desidratación de los minerales arcillosos	endotermica
800°C	liberación de CO2	exotermica
> 900°C	Cristalización de los productos minerales descompuestos	exotermica
	Descomposición de carbonatos	endotermica
900°C A 1200°C	Reacción de CaO con los silicoaluminatos	exotermica
1250°C A 1280°C	Se inicia la formación de liquidos	endotermica
1280°C A 1500°C	Formación de liquidos y de los compuestos del cemento (Clinkerización)	endotermica

TIPOS DE CEMENTO PORTLAND:

Los Cementos Portland por lo general, se fabrican en cinco tipos cuyas propiedades se han normalizado sobre la base de la especificaciones ASTEM de normas para Cemento Portland (c 150). Los tipos se distinguen según los requisitos tanto físicos como químicos.

PORTLAND TIPO I:

Es un cemento normal, se produce por la adición de clinker más yeso. De uso general en todas las obras de ingeniería donde no se requiera miembros especiales. De 1 a 28 días realiza 1 al 100% de su resistencia relativa.

PORTLAND TIPO II:

Cemento modificado para usos generales. Resiste moderadamente la acción de los sulfatos, se emplea también cuando se requiere un calor moderado de hidratación. El cemento Tipo II adquiere resistencia mas lentamente que el Tipo I, pero al final alcanza la misma resistencia. Las características de este Tipo de cemento se logran al imponer modificaciones en el contenido de Aluminato Tricalcico (C3A) y el Silicato Tricalcico (C3S) del cemento. Se utiliza en alcantarillados, tubos, zonas industriales. realiza del 75 al 100% de su resistencia.

PORTLAND TIPO III:

Cemento de alta resistencia inicial, recomendable cuando se necesita una resistencia temprana en una situación particular de construcción. El concreto hecho con el cemento Tipo III desarrolla una resistencia en tres días, igual a la desarrollada en 28 días para concretos hechos con cementos Tipo I y Tipo II ; se debe saber que el cemento Tipo III aumenta la resistencia inicial por encima de lo normal, luego se va normalizando hasta alcanzar la resistencia normal. Esta alta resistencia inicial se logra al aumentar el contenido de C3S y C3A en el cemento, al molerlo mas fino; las especificaciones no exigen un mínimo de finura pero se advierte un limite practico cuando las partículas son tan pequeñas que una cantidad muy pequeña de humedad prehidratada el cemento durante el almacenamiento manejo. Dado a que tiene un gran desprendimiento de calor el cemento Tipo III no se debe usar en grandes volúmenes. Con 15% de C3A presenta una mala resistencia al sulfato. El contenido de C3A puede limitarse al 8% para obtener una resistencia moderada al sulfato o al 15% cuando se requiera alta resistencia al mismo,su resistencia es del 90 al 100%.

PORTLAND TIPO IV :

Cemento de bajo calor de hidratación se ha perfeccionado para usarse en concretos masivos. El bajo calor de hidratación de Tipo IV se logra limitándolos compuestos que mas influye en la formación de calor por hidratación, o sea, C3A y C3S. Dado que estos compuestos también producen la resistencia inicial de la mezcla de cemento, al limitarlos se tiene una mezcla que gana resistencia con lentitud. El calor de hidratación del cemento Tipo IV suele ser de mas o menos el 80% del Tipo II, el 65% del Tipo I y 55% del Tipo III durante la primera semana de hidratación. Los porcentajes son un poco mayores después de mas o menos un año. Es utilizado en grandes obras, moles de concreto, en presas o túneles. Su resistencia relativa de 1 a 28 días es de 55 a 75%.

PORTLAND TIPO V :

Cemento con alta resistencia a la acción de los sulfatos, se especifica cuando hay exposición intensa a los sulfatos. Las aplicaciones típicas comprenden las estructuras hidráulicas expuestas a aguas con alto contenido de álcalis y estructuras expuestas al agua de mar. La resistencia al sulfato del cemento Tipo V se logra minimizando el contenido de C3A, pues este compuesto es el mas susceptible al ataque por el sulfato. Realiza su resistencia relativa del 65 al 85 %.

TIPOS DE CEMENTOS ESPECIALES

CEMENTO PORTLAND BLANCO :

Es el mismo Portland regular, lo que defiere es el color, esto se obtiene por medio del color de la manufactura, obteniendo el menor numero de materias primas que llevan hierro y oxido de magnesio, que son los que le dan la coloración gris al cemento. Este cemento se usa específicamente para acabados arquitectónicos tales como estuco, pisos y concretos decorativos.

CEMENTO PORTLAND DE ESCORIA DE ALTO HORNO : 

Es obtenido por la pulverización conjunta del clinker portland y escoria granulada finamente molida con adición de sulfato de calcio. El contenido de la escoria granulada de alto horno debe estar comprendido entre el 15% y el 85% de la masa total.

CEMENTO SIDERÚRGICO SUPERSULFATADO :

Obtenido mediante la pulverización de escoria granulada de alto horno, con pequeñas cantidades apreciables de sulfato de calcio.

CEMENTO PORTLAND PUZOLANICO :

Se obtiene con la molienda del clinker con la puzolana. Tiene resistencia parecida al cemento normal y resistente ataques al agua de mar, lo que lo hace aconsejable para construcciones costeras. Para que el cemento sea puzolanico debe contener entre el 15% y el 50% de la masa total. El cemento puzolanico se utiliza en construcciones que están en contactos directos con el agua, dada su resistencia tan alta en medios húmedos.

CEMENTO PORTLAND ADICIONADO :

Obtenido de la pulverización del clinker portland conjuntamente con materiales arcillosos o calcareos-silicos-aluminosos.

CEMENTO ALUMINOSO :

Es el formado por el clinker aluminoso pulverizado el cual le da propiedad de tener alta resistencia inicial. Es también resistente a la acción de los sulfatos así como a las altas temperaturas.

PROPIEDADES FISICAS DEL CEMENTO

FINURA DEL CEMENTO

(SUPERFICIE ESPECIFICA)

La finura se define como la medida o tamaño de las partículas que componen el cemento ; se expresa en cm²/gr lo cual llamamos superficie de contactos o superficies especificas ; esto se refleja en el proceso de hidratación del cemento ya que la mayor superficie de contacto mejor y mas rápida es el tiempo de fraguado.

Es la cantidad de área expuesta al contacto con el agua en una determinada masa de cemento.

Entre mas fino sea el cemento mas rápido es el contacto con el agua.

Entre mayor sea la superficie de contacto mayor es la finura del cemento.

En 28 días un cemento a cumplido el 90% de su hidratación, el otro 10% puede tardar años.

METODOS PARA DETERMINAR LA FINURA DEL CEMENTO 

PERMEAMETRO DE BLAINE.

Es un aparato para determinar la superficie especifica del cemento, basado en la Permeabilidad (permisibidad que tiene una sustancia para permitir el paso de otra a través de sus poros) de una capa de cemento en cierto grado de compactación al paso del aire.

El principio de este método consiste en hacer pasar una cantidad determinada de aire a través de una capa de cemento de porosidad definida. La cantidad y el tamaño de los poros existentes en dicha capa, son función del tamaño de las partículas y determinan el gasto de aire a través de la capa.

El cemento se coloca en un recipiente, éste es compactado por un émbolo y mediante una pera de caucho conectada se hace pasar aire el cual al pasar mueve un liquido que se encuentra en un manometro o instalado al recipiente.

TURBIDIMETRO DE WAGNER.

Consiste fundamentalmente en una fuente de luz de intensidad constante, ajustada de tal manera que produce un haz de rayos paralelos que pasan a través de una muestra de cemento en suspención y llegan a una fotocelda.

La corriente generada por la fotocelda se debe medir con un Microamperímetro cuya lectura indica la medida de la Turbidez de la suspención.

FORMULA DE CARMAN .

Donde  = Peso específico del cemento.

 = Porosidad de la capa.

A = Area de la sección transversal del estrato o

capa

L = Longitud de la muestra o capa.

.h1 = Caída de presión en la capa.

.h2 = Caída de presión en el medidor.

K = Constante de fabricación del aparato.

Para fines prácticos se formó un método más práctico, que fue el del tamiz # 200, que consiste en pasar una masa de cemento por éste tamiz que tiene 200 abertura por una pulgada lineal, se resta dela masa inicial y el residuo es la que se llama finura del cemento. Los límites de la finura son 225 - 300 m²/kg. La finura debe ser mayor al 95%.

PESO ESPECIFICO O DENSIDAD APARENTE DEL CEMENTO :

El peso específico expresa la relación entre la muestra de cemento y el volumen absoluto.

 = m / V absoluto.

Donde : m = muestra del cemento.

V absoluto = Volumen de la materia sólida.

El peso específico del cemento debe estar entre 3.10 a 3.15 gr/cm³ . El valor del peso específico no indica la calidad de un tipo de cemento, sino que su valor es usado para el diseño de la mezcla . Con el valor del peso específico se pueden encontrar otra características del concreto.

Se puede decir a manera de conclusión de que el cemento utilizado en el laboratorio, es un cemento adicionado. Un bajo valor de densidad absoluta nos indica poca presencia del clinker y alta de yeso.

METODOS PARA DETERMINAR EL PESO ESPECIFICO

Para determinar el peso específico del cemento existen cuatro métodos:

1. Método De Le Chetalier.

2. Método de Schuman.

3. Método de Candlot.

4. Método Picnómetro.

Todos los métodos anteriores tienen la misma finalidad , que es determinar el volumen del líquido que desplaza una cantidad de cemento, el líquido no debe reaccionar con el cemento, los más utilizados son el De Le Chetalier y el de Picnómetro .

CONSISTENCIA NORMAL DEL CEMENTO

Al agregar agua al cemento se produce una pasta ( cemento + agua ), contiene fluídez a medida que se le va aumentando el contenido de agua.

La consistencia normal es un estado de fluídez alcanzado por la pasta del cemento que tiene una propiedad optima de hidratación . Se expresa como un porcentaje en peso o volumen de agua con relación al peso seco del cemento.

Wagua / Wcemento = % Consistencia Normal .

Por ejemplo 30% de la consistencia significa que por cada 100gr de cemento hay que agregar el 30% de agua.

El factores que influye en la consistencia normal del cemento puede ser la finura.

Los que determinan la consistencia son:

La viscosidad en la pasta (cemento).

La lubricación en los agregados (concreto).

Los valores de la consistencia normal no dependen del tipo del cemento.