Materiales de construcción

Los materiales de construcción son todos los productos, naturales o artificiales, que sirven para levantar, asegurar o terminar obras, partes de obras muros, puentes carreteras, etc.

Se divide en dos grupos importantes:

Soportes: mármol, granito, arenisca, yeso, barro, asfalto, arena, caliza.

Aglomerantes: son todos los materiales fácilmente moldeables, que luego endurecen. El yeso y los morteros son aglomerantes.

Rocas duras y resistentes a los agentes atmosféricos, pueden ser utilizados inmediatamente como piedras de construcción.

El asfalto, de naturaleza orgánica, rico en carbono, es utilizado en la construcción de carreteras, producción de techos impermeabilizados y para excluir la humedad del suelo de edificaciones bajas.

El barro es un aluminosilicato con oxido férrico como impureza. Con agua forma una masa moldeable. Si esta masa es horneada, adquiera una relativa dureza y resistencia a los agentes atmosféricos. Cuando se le da una forma cubica, se llama ladrillo.

Para la fabricación del ladrillo, se utiliza una mezcla de agua, barro, excremento vacuno, pajas, hierbas, etc., que es pisado por animales en un lugar destinado a este fin. Luego se le da la forma deseada y se los apila en hornos anulares, donde los ladrillos crudos serán cocidos. Los ladrillos de mejor calidad serán los ubicados en el medio de la pared del anillo, los de segunda serán los que estaban ubicados mas cerca del fuego, que por esta razón estarán algo quemados, y los ladrillos de tercera serán los que estaban en la parte externa, que por estar lejos del fuego no han sido cocidos correctamente.

Al colocar los ladrillos en la base, se debe dejar una pequeña separación, que servirá de entrada de aire. En el centro del horno, se debe colocar suficiente combustible, para que la cocción sea considerable. Una vez que el combustible ha sido encendido, se tapa el respiradero superior.

Yeso

El mineral anhidrita CaSO4, tiene poco uso en la práctica, no fragua con el agua. El yeso (selenita, alabastro), CaSO4.2H2O, un hidrato, es más corriente y abundante. El hidrato se forma cuando se precipita sulfato cálcico de una disolución acuosa. Es poco soluble en agua, y su solubilidad aumenta con la temperatura hasta 400ºC, a partir de la cual disminuye.

Al calentar el yeso a una temperatura no superior a 125ºC, pierde ¾ partes de su agua:

2CaSO4.2H2O * (CaSO4)2.H2O + 3H2O

El producto, un hemihidrato, (el (CaSO4)2.H2O se escribe a menudo CaSO4.1/2H2O) se llama yeso cocido o yeso mate. La preparación del yeso cocido se la realiza de la siguiente manera: el yeso natural, procedentes de las cantera, es primero machacado y luego pulverizado. El yeso crudo así pulverizado se cuece en hornos abiertos, de hierro, provistos de agitadores de espátulas, revestidos con ladrillos refractarios. El calentamiento de los mismos se lo efectúa mediante gas, o por medio de corriente de aire caliente.

Si este material se mezcla con agua, forma una masa plástica que a la media hora fragua en un agregado sólido de cristales entrelazados de yeso; esta reac­ción es la inversa de la ecuación anterior. El hemihidrato se disuelve en el agua y forma el dihidrato, CaSO4.2H2O; éste es menos soluble, y se separa por cristalización. La disolución deja de estar saturada de hemihidrato, por lo que sigue disolviéndose y precipitando como dihidrato; el proceso continúa hasta que todo el yeso cocido se ha transformado en cristales de yeso. Durante el fraguado hay un aumento de volumen, llenándose todas las hendeduras del molde y, por ello, se obtiene un vaciado perfecto.

El yeso mate o cocido se usa para estucar o enlucir paredes, sacar mol­des de estatuas, monedas, troqueles, etc. Los moldes pueden dejarse lisos y sin poros sumergiéndolos en parafina. También se usa en cirugía (vendajes de yeso), sustituyendo a las antiguas tablillas, para mantener en su lugar huesos rotos, después de ajustados en su sitio. Cuando se mezcla con pulpa de madera y se deja de fraguar en forma de tablas constituye un material muy usado en la construcción de edificios, para recubrir paredes y tabiques.

Cuando al yeso se le impregna una solución caliente de alumbre se obtiene el yeso alumado o cemento inglés tan duro como el mármol.

Si al yeso se lo lleva a mas de 900° C, se “calcina a muerte”, y se produce un desprendimiento de trióxido de azufre:

CaSO4 + calor CaSO4 + CaO + SO3

Esta nueva mezcla es soluble y muy resistente una vez que fragua, ya que forma el dihidrato y CaCO3:

CaSO4 + CaO + 2 H2O + CO2 CaSO4 2 H2O + CaCO3

Este yeso es utilizado para cubrición y se lo utiliza también como adición en los morteros de cal.

Morteros aéreos e hidráulicos

Aéreos: son los morteros aereos todos aquellos aglomerantes que fraguan con el aire. Para este tipo de morteros se emplea oxido de calcio o mas conocido como cal viva, obteniéndose de la calcinación de la cal viva a 1100° C. La accion del calor produce la descomposición del carbonato de calcio:

CaCO3 + calor CaO + CO2

El CaO reacciona exotérmicamente con agua para formar hidróxido de calcio, proceso llamado apagado de la cal:

CaO + H2O Ca(OH)2 + H2

El hidróxido de calcio, se lo amasa y se le da la forma deseada, para después absorber dióxido de carbono y convertirse en nuevamente en caliza, manteniendo la forma dada.

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O

Este proceso se llama fraguado. Para que el fraguado sea rápido y mejor, se hace una mezcla de una parte de cal por tres de arena, haciendo la arena mas permeable al aire al hidróxido de calcio.

Existe también la cal gris, que se obtiene al calcinar dolomita (mezcla de carbonato de calcio y carbonato de magnesio). El producto de la calcinación es una mezcla de CaO y MgO.

Hidráulicos: a diferencia de los morteros aéreos, estos fraguan tanto en el aire como en el agua. Se fabrica a partir de la calcinación de calizas y arcillas (aluminosilicato) a 1400° C. Las principal característica de las cales hidráulicas es la de endurecer rápidamente, evitando el inconveniente que presentan las cales aéreas del largo tiempo de fraguado. Además la dureza obtenida al fraguar es mucho mayor que la adquirida por las cales aéreas.

Cemento

Cuando en las cales hidráulicas el porcentaje de arcilla supera el 22%, se obtienen materiales que endurecen con mayor rapidez, siendo además muy resistentes a la acción del agua y del aire.

Estos materiales hidráulicos, reciben el nombre de cementos, que pueden ser naturales o artificiales.

Elección y proporción de las materias primas para cemento

Teó­ricamente, con materiales puros, bastaría mezclar 19-20% de arcilla y 80-81% de carbonato de calcio, para obtener por cocción un cemento Portland; prácticamente, para evitar un exceso de cal (0,5% en más del necesario puede ser ya perjudicial para el cemento acabado y puesto en obra) se agrega un poco de arcilla, de suerte que ordinariamente y según la naturaleza de las materias primas se parte de 20-25% de arcilla y 75-80% de caliza. También puede ser nocivo un exceso de arcilla, porque durante la cocción, en vez de silicato tricálcico se forma también silicato bicálcico, que aumenta la friabilidad del cemento ya en el mismo horno, y durante el enfriamiento se transforma fácilmente en polvo.

Salvo pues el caso de margas y piedras de cemento en las cuales se hallan ya naturalmente unidas en proporción exacta la arcilla y la caliza, en los restantes casos se debe corregir oportunamente la marga natural o establecer a prioridad las proporciones exactas entre las materias primas, para formar los cementos artificiales, teniendo presente el tipo de cemento que se quiere obtener, al cual corresponde un índice de hidraulicidad determinado.

Para cementos de fraguado lento el índice de hidraulicidad x oscila entre 0,45 y 0,60 y para los rápidos entre 0,6 y 1,2. El valor de x se puede siempre calcular introduciendo en la siguiente fórmula el tanto por ciento de los diversos componente hallados por un cuidadoso análisis:

x = (Al2O3 + Fe2O3 + SiO2) / (CaO + MgO + K2O + Na2O)

pero ordinariamente se hace caso omiso de los álcalis (K2O + Na2O) en el cálculo. Algunos usan el módulo de hidraulicidad (y), que es el inverso de x, es decir:

y = (CaO + MgO + K2O + Na2O) / (Al2O3 + Fe2O3 + SiO2)

en cuya fórmula se desprecia también a menudo la cantidad de álcalis; y oscila entre los límites 0,8 y 2,2.

Fabricación del cemento artificial

Esta industria ha adquirido una importancia tan grande en todas las naciones civilizadas y está ligada a tan interesantes problemas técnicos (químicos, físicos y mecánicos), que merece ser tratada con más detenimiento que muchas otras, para dar idea de cuáles y cuántos factores están formados el perfeccionamiento y el progreso industriales, y de cómo cuestiones aparentemente secunda­rias y de poca importancia pueden en muchos casos decidir de la vida o del porvenir de una industria. Cada operación debe ser llevada a cabo con la máxima precisión y ser estudiada en todos sus menores detalles para que se puedan obtener de ella los mejores resultados.

A continuación se exponen resumidamente las principales operaciones que conducen a la preparación del cemento, las cuales en parte son comunes al cemento natural y al artificial.

La fabricación del cemento consiste en la extracción de las materias primas, arcilla y caliza, de las canteras. Son trituradas, ya que cuando se las extrae pueden medir 1 metro cubico, y son secadas en secaderos de tambor por separado.

De aquí son llevadas a silos de almacenamiento, desde donde se alimentan los molinos de bolas, para la molienda fina. Este tipo de molienda consiste en un tambor rotatorio, donde se introduce la materia prima, y bolas de unos 3 Kg. caen y golpean las rocas convirtiéndola en polvo, casi impalpable. Después, las materias primas convertidas en polvo, son llevadas a un silo de almacenamiento, donde son mezcladas en las debidas proporciones. Desde este silo, la mezcla es llevada a un deposito, el cual alimenta continuamente una cámara de tostación a contracorriente con los gases provenientes del horno, a unos 1000°C, para después ingresar al horno rotatorio en forma de granos, donde avanza por la ligera inclinación y es calcinado a unos 1400-1500° C sintetizándose y formando el “clinker”. Actualmente, la industria del cemento utiliza hornos rotativos. Estos hornos permitieron, a diferencia de los que se usaban antiguamente, que se pueda introducir la mezcla en polvo, ligeramente humedecida, o la masa pastosa, con 30-33% de agua. Estos hornos rotativos que al principio eran de 10 a 20m de longitud, alcanzan hoy día diámetros de 2 a 2,5m y longitudes de 45m y aun mayores, especialmente si se aplican a materiales en pasta blanda y por lo tanto ricos en agua. El gran tubo del horno rotativo está inclinado al 4-6% según que la pasta se halle más seca o más húmeda; se apoya sobre gruesos pilares y gira sobre una serie de rodillos locos. Está formado por gruesas chapas de hierro, revestidas interiormente por ladrillos refractarios. El movimiento giratorio del tubo inclinado (1 a 2 vueltas por minuto) arrastra lentamente hacia abajo la masa del cemento crudo, la cual se aglomera en gránulos del tamaño de nueces y guisantes y se deseca y calienta progresivamente, porque por el extremo inferior del tubo se calienta el horno.

El clinker de color verde oscuro es enfriado en forma brusca, para después ser triturado y molido convirtiéndose nuevamente en polvo. Antes de la molienda fina se le adiciona un 2 a 3% de yeso, lo que le da un poder mas elevado de aglutinación y también hace que el fraguado sea mas lento.

Se lo almacena en silos o en bolsas de triple papel generalmente de 50 Kg.

Existen diversos tipos de cementos, que dependen de los porcentajes de las materias primas, la molienda y la temperatura de horneado. Los mas importantes son:

• Cemento común o de fraguado lento: este tipo de cemento contiene entre un 2 y 3 % de yeso retardando el tiempo de fraguado a 2 o 3 horas, ya que el tiempo normal seria de 10 a 15 minutos, permitiendo las tareas preparatorias de la mezcla. La arena a utilizar en la mezcla debe estar exenta de arcillas o tierras, ya que disminuyen la resistencia a los agentes atmosféricos.

• Cemento de endurecimiento rápido o supercemento: a este cemento se le controla en la elaboración, las materias primas, el horneado y la molienda. Se endurece rápidamente: el primer ida adquiere la dureza, que al común le lleva 7 idas; en 3 idas la dureza que al común le lleva conseguir en 28 idas.

• Cemento de fraguado rápido, aluminoso o fundido: se elabora con calizas arcillosas, generalmente enriquecidas con bauxita (oxido de aluminio hidratado), horneado a temperatura elevada para obtener alto porcentaje de aluminato tricalcico. Fragua y endurece en un ida tanto como el común en un mes.

• Cemento blanco: el color de este tipo de cemento se debe a que las materias primas están exentas de hierro, y los gases de los combustibles de los hornos no dejan residuos. Este tipo de cementos es utilizado en la fabricación de mosaicos, mármoles reconstituidos, materiales para frentes, etc.

• Cemento de hierro: contiene un alto porcentaje de hierro lo que le da una mayor resistencia al agua de mar.

• Cemento Romano: se obtiene calcinando en hornos continuos calizas ricas en sílice, mezclándolas con carbón de coque, pero manteniendo una temperatura inferior a la de los hornos de cal y siempre por debajo de la temperatura de fusión. De este modo todo el dióxido de carbono se desprende, pero no toda la cal debe combinarse con la sílice y con la alúmina. Como el producto acabado y pulverizado contiene óxido de calcio no combinado, cuando se amasa con agua, se calienta débilmente, pero se endurece con rapidez. Sin embargo es menos resistente que el cemento Portland. Para trabajos constantemente cubiertos por el agua se usa puro, y para otros trabajos se mezcla con 1 a 6 partes de arena. La composición de los cementos romanos oscila ordinariamente entre los siguientes límites:

SiO2, 13-29%; Al2O3 + Fe2O3, 10-20%; MgO 2-5%

• Cemento Portland natural y artificial: en 1756 J. Smeaton había advertido que a diferencia de las cales aéreas, todas las calizas cosidas que contenían alúmina y sílice (y que eran por lo tanto sólo en parte solubles en el ácido nítrico) tenían la propiedad de endurecerse debajo del agua; esta importante observación fue confirmada y aplicada prácticamente por J. Parker en 1796. Desde entonces se iniciaron en muchas naciones trabajos para descubrir cemento natural, y se hallaron yacimientos muy importantes, especialmente en Francia, en Inglaterra y en Bélgica. Pero siempre se trataba de cemento natural obtenido por cocción de calizas margosas. Vical en Francia, mediante una serie de experimen­tos iniciados en 1812 y continuados durante muchos años, demostró que se obtienen cementos aun mejores y de endurecimiento más rápido pre­parando artificialmente mezclas de composición química preestablecida, Aplicaciones prácticas importantes de estos estudios se efectuaron en 1824 en Inglaterra por J. Áspdin, quien cociendo a temperatura muy elevada una mezcla de cal apagada y de arcilla, obtuvo un magnífico cemento hidráulico, que llamó cemento Portland, porque una vez cuajado con agua ­daba una masa dura y de color igual al de la piedra de Portland tan apre­ciada entonces en Inglaterra para las construcciones. Desde entonces adquirió importante desarrollo en Inglaterra la indus­tria del cemento Portland. En Francia surgió la primera fábrica en 1850, en Alemania en 1852. En Italia se realizaron las primeras tentativas en Palazzolo en 1858, para llegar a crear en estos últimos años una gran industria nacional, con los principales centros en el Bergamasco, en Ponte Chiasso (Como), en el Véneto y ahora también en diversas otras partes de Italia, con instalaciones racionales y maquinaria perfecta. Desde los primeros estudios químicos acerca del cemento se había descubierto que estaba casi totalmente formado de silicato y aluminato de calcio, con impurezas de silicato de hierro, de manganeso y de metales alcalinos; pero se había visto también que las mejores calidades de cemento natural contenían la cal, la alúmina y la sílice en proporciones bien deter­minadas, que oscilaban entre limites muy restringidos; eran, en suma, caliza (carbonato de calcio) y arcilla (silicato de aluminio) mezcladas muy íntimamente. El cocido a 1300-1400ºC, además de producir el desprendimiento del óxido carbónico de la caliza, conduce a una combinación química parcial entre cal, alúmina y sílice, en cuanto la masa llega a reblandecerse un poco por el calor (pero no a fundirse). El producto resultante tiene una gran potencia de reacción con el agua, fraguando con ella, produciendo hidratos muy estables y compactos, insolubles en agua y casi inatacables por los ácidos diluidos. El agua del mar ataca lentamente las construcciones de cemento, pero aun son mas nocivas las soluciones de sulfato de calcio. El cemento Portland artificial ha adquirido en estos últimos años una gran importancia, especialmente en el extranjero, y sobre todo en Alemania y en los Estados Unidos de América.

Requisitos exigidos para el cemento portland

Determinación de la finura del polvo:

El cemento se tamiza, y el tamiz de 900 mallas/cm2 retendrá un 1% como máximo, y el residuo sobre el tamiz no debe 4900 mallas/cm2 no deberá sobre pasar el 15%.

Determinación de la velocidad de fraguado:

Se prepara cemento con agua en cantidades prefijadas poniendo en marcha un cronometro, y se le introduce una aguja. Queda completado el endurecimiento cuando esta ya no penetra. La velocidad mínima de fraguado es 45 minutos, y la máxima es de 3 horas.

Determinación de las resistencias mecánicas:

Se calcula la resistencia a la compresión midiendo la fuerza que aplicada a la cara de un cubo de cemento, produce so ruptura.

Se calcula la resistencia a la tracción, estirando en sentidos opuestos una pieza en forma de ocho

Factores que afectan la calidad del cemento:

• La granulometria de las materias primas molidas

• Un exacto mantenimiento de una determina relación de mezcla

• De la temperatura y el tiempo que dura la calcinación

• El tiempo en función de la velocidad de rotación

• La forma en que se empleo el producto

Loma Negra, fabrica de cemento

La planta de fabricación de cemento Loma Negra, añade antes de la entrada de la harina cruda al horno, una torre intercambiadora de calor que cumple la función de elevar la temperatura, utilizando los gases provenientes del horno. Estos gases, suben por la torre intercambiadora de calor arrastran partículas de harina cruda. Estos son pasados por una torre de enfriamiento, que tiene en su estructura una serie de inyectores que forman una cortina de agua pulverizada, por donde pasan los gases calientes. Esto hace que las partículas de harina se mojen, produciendo su caída hasta la base de la torre donde hay un sinfín que permite recuperarlas y reingresarlas en el circuito. Los gases calientes pasan por un separador de partículas electrostático o electrofiltro, reteniendo estos todas las partículas que no hayan sido retenidas en la torre de enfriamiento.

compresión

tracción