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.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:

1. 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.

2. 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.

3. 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).

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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) 3CaOAl2O3TRICALCICO

FERROALUMINATO (c4 AF) 4CaOAl2O3Fe2O3TETRACALCICO

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 C 3S 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.AGUA

Es el elemento que le da el nombre a los tipos de cemento hidratados, por eso se llama cemento hidráulico. En el concreto el agua es el elemento en virtud del cual el cemento experimenta series de reacciones químicas que le dan la propiedad de fraguar y endurecer para producir un sólido único con los agregados.

DIVISION DEL AGUA EN EL CONCRETO

El agua en el concreto se divide en agua de Mezclado y agua de Curado.

AGUA DE MEZCLADO

Corresponde al diseño original de la mezcla, es el volumen de agua por metro cúbico de concreto (M³Vol )en el diseño de concreto, tiene dos fases:

AGUA DE HIDRATACIÓN :

Es la que reacciona químicamente con el cemento, el que lo hidrata formando lo que se denomina el gel o pasta hidratada. Recibe el nombre de no evaporable porque a una temperatura de 110°C no se produce evaporación.

Agua Evaporable : Es la parte de agua de mezclado que es capaz de ebullir a 110°C . Se divide en tres fases :

Agua de Absorción : Es una capa molecular de agua que es atraída por el gel del cemento.

Agua Capilar : Es la que ocupa los poros entre los granos del cemento .

Las aguas de absorción y capilares ocupan un 77% dentro de estas aguas.

Agua Libre : Es la que realmente evapora , o sea la que se pierde dentro del agua de mezclado en " Condiciones de Secado ".

AGUA DE CURADO

Es el agua que necesita el concreto para hidratar eficientemente el cemento.Toda reaccion de hidratación del cemento o pasta se produce por :C3A (produce endurecimiento rápido y debe ser controlado por yeso).C2 S y C3 S , ayudan para el proceso de fraguado después que se halla producido la hidratación C3 A.

El agua en el concreto debe de ser mínimo del 48%, hay tres factores que influyen en la cantidad de agua en una mezcla, como es la relación A/C , la humedad ambiental y la diferencia de densidades de los materiales constituyentes.

PROPIEDADES:

Las que se usarán para fabricar la mezcla del concreto debe tener por lo menos los siguientes requisítos:

- Sedimentos menos de 2000 partes por millon.

- Carbonatos, bicarbonatos, cloruros, sulfatos, sales de hierro y sal; es inorgánicas son totalmente indeseables ya que se producen bajas resistencia, retardo del fraguado, inclusive corrohen el acero de refuerzo.

TIPOS DE AGUAS :

1) Aguas Acidas 

(PH en 6-8) Rompen el concreto y las aguas básicas retardan el fraguado.

2) Agua con azúcar

Retarda el fraguado y disminuye la resistencia .

3) Aguas básicas : Retardan el tiempo de fraguado.

4) Agua con aceite

Disminuye la resistencia final hasta un 20%.

5) Aguas Negras o Servidas

Descartadas. A menos que la concentración se menor de 200 partes por millon ( queda a criterio del ingeniero )

6) Aguas de mar

Si se puede utilizar , pero en la actualidad no se utiliza porque corrohen el acero de refuerzo. Mantienen su resistencia y su fraguado, producen manchas.

Todos los parámetros anteriores están normalizados por :ASTM ( D-511, D-512 , D-516 , D-1129 , etc. ) , estos límites indican el contenido de agua para ser utilizado en una mezcla de concreto.

ADITIVOS

Es un Producto químico que se adiciona al concreto o al mortero antes o durante su mezcla.El objetivo de utilizar un aditivo es producir una mejoría en la mezcla según sea la necesidad que no se puede obtener mediante el ajuste de la proporción de la mezcla básica, sin producir un efecto adverso en cualquier otra característica del concreto, se empezó a usar mediados siglo XX y se adiciona al agua o a la mezcla siempre en un % al peso del cemento.

CLASIFICACION DE LOS ADITIVOS :

1) Acelerante : Rápido fraguado y obtención de resistencia a temprana edad (túneles, puentes).

2) Permeavilizantes : Se adiciona a la mezcla para disminuir el paso de agua a través de los elementos fabricados (tanques, piscinas, baños).

3) Retardantes : Se utiliza en las centrales de mezcla para reducir el tiempo de fraguado y permitir el transporte y bombeo.

4) Plastificantes : Cuando hay necesidad de reducir el agua de mezclado.

5) Incorporadores de aire : Disminuyen la porosidad en el momento de fraguado y adicionan manejabilidad.

FRAGUADO

Es el Fenómeno por medio del cual la pasta de cemento cambia de plástico a endurecido, es posterior al fenómeno de hidratación.La importacia es conocer los tiempos de fraguados, los iniciales y los finales. El tiempo de fraguado del cemento y del concreto son los mismo.

TIEMPO DE FRAGUADO:

1) Fraguado Inicial : Es el transcurrido desde la adición del agua hasta alcanzar el estado de plasticidad y semídureza, durante este tiempo la pasta se deforma fácilmente por la acción de pequeñas cargas. Se mide con el aparato de Vicat. Este significa, el tiempo de que disponemos para fabricar, transportar, vibrar y colocar el concreto en las obras.

2) Fraguado Final : Va desde el fraguado inicial hasta que la pasta se endurezca y se vuelva indeformable, en este lapso se produce la unión con los agregados en una mezcla de concreto. se desarrolla toda la resistencia mecánica del cemento a los 28 días.

Entre los factores que afectan el fraguado tenemos:

FACTORES QUE AFECTAN EL FRAGUADO :

1) Composición Química : C3S, C2S, CaSO4, dependiendo de las proporciones de los componentes del cemento.

2) Finura del cemento : Entre más fino sea el cemento , más rapido va a ser la penetración y el tiempo de fraguado inicial es más rapido.

3) Cantidad de agua de amasado : Entre más agua haya en una mezcla se va a producir más rapido la pasta del cemento, afecta la resistencia y la consistencia.

4) La temperatura ambiente : Entre mas baja sea la temperatura el fraguado es mas demorado. A temperaturas bajo 0°C no fragua.

Hay otros factores secundarios como es el tipo de agua.FALSO FRAGUADO :

Es un fenómeno que produce un endurecimiento rápido y una rígidez prematura y anormal del cemento en los primeros minutos de su hidratación. Las propiedades de la pasta se reestablecen con el tiempo. Se debe a dos factores fundamentales :

- A la falta de adición de yeso suficiente .- A la baja hidratación del clinker mediante la fabricación.

AGREGADOS

Son partículas minerales que se le adicionan a la pasta ( cemento+ agua ) , para producir al endurecerse un sólido único o piedra artificial conocida con el nombre de hormigón. La mayoría de los agregados constituyen entre el 70 a 80 % del volumen de la mezcla del concreto. Los agregados deben ser minerales inertes para que no se produzcan reacciones quimicas con el cemento.

FUNCIÓN :

Los agregados tienen una acción determinante sobre las características del concreto tanto en estado plastico como en estado endurecido que en muchos casos modifica la estabilidad de la estructura. En estado plastico la arena y la pasta actuan como lubricante de las partículas más gruesas para que el concreto pueda ser mezclado , transportado , colocado, compactado y terminado en forma adecuada. Durante el proceso de fraguado la pasta experimenta una pérdida de húmedad que origina una contracción generalmente va acompañada con la aparición de grietas. Con la introducción de los agregados a la pasta se forma un trabazón de tal manera que se genera una superficie de adherencia que disminuye los cambios de volumen y se disminuye el volumen total que pueda sufrir por contracción.

CLASIFICACIÓN DE LOS AGREGADOS

CLASIFICACIÓN DE LOS AGREGADOS SEGUN SU ORIGEN.

Los agregados pueden ser naturales o artificiales.

- Agregados Naturales : Son los que se encuentran en la corteza terrestre (casi siempre en un mismo lugar de origen ), y sus partículas se forman por la acción directa con la naturaleza ó por proceso de trituración y fragmentación inducidos por el hombre , la mayoría de suu propiedades quimicas son iguales a la de la roca madre. A través de estos procesos se obtienen los verdaderos agregados tradicionales como gravas y arenas .

- Agregados Artificiales : Reciben también el nombre de manofacturados y se obtienen a través de procesos industríales por fenómenos de licuefación y pulverización . Los minerales en este estado se llevan a los tamaños indicados y se vuelven a endurecer para su posterior utilización , de este grupo hacen parte la escoria de alto horno , arcillas expansibles , limaduras de hierro , humo de sílice , etc.

CLASIFICACION DE LOS AGREGADOS SEGUN SU TAMAÑO :

Se dividen en dos grandes grupos : gruesos y finos - Agregado Grueso : Son materiales cuyas partículas tienen tamaños de 7.6 cm ( 3") a 4.76 mm. (# 4). Todo lo que esté por encima de 3" todavía no tiene condiciones para el concreto. Los agregados gruesos normales se utilizan 11/2 " a 3/8 ".

- Agregado Fino : Materiales cuyas partículas estan entre el tamiz #4 y el tamiz # 200 es decir entre 4,76 mm y 0.074 mm. Los agregados finos menores de 0.074 mm no sirven para concretos ya que son demasiados finos.

Los normales estan entre 3/8 " y él tamiz # 100.

Los agregados finos siempre se van a conocer como arenas, los agregados finos menores de 0.074 mm generalmente son limos o arcillas cuyas partículas tienen ciertas características que interfieren en el proceso de hidratación del cemento, por esto se consideran perjudiciales.

Los agregados gruesos los conocemos como gravas y se denominan según su origen

Triturado CalizoGRAVA Canto Rodado (China )

GruesaARENAS Media Fina

Las arenas gruesas y medias se utilizan para la fabricación del concreto, mientras que las finas se emplean para la pega de los bloques.

CLASIFICACION DE LOS AGREGADOS SEGUN SU DENSIDAD :

Se divide en 3 grupos (ligero, normal, pesado)

- Agregados Ligeros : Son aquellos cuya densidad está entre 500 - 1000 Kg/m³. Entre estos tenemos pizarras expandidas, esquistos, escorias, arcillas, pómez, perlita etc. Se utiliza en concreto de relleno o en mampostería estructural , concreto para aislamiento .

- Agregado Normal : Son aquellos cuya densidad estan entre 1300 - 1600 Kg/m³. Se encuentran en gravas de trituración, arena de rio, clinker, escoria de fundición. Se utiliza en concreto de toda índole es decir concretos estructurales y no estructurales .

- Agregados Pesado: Son aquellos cuya densidad estan entre los 3000 - 7000 Kg / m3. Por lo general hay que fabricarlos , se utilizan en concretos especiales ( concreto para macizo de anclaje ) , que van a estar expuestos a rayos ultravioletas y radiaciones, ya que estos agregados son capaces de absorver estas radiaciones. Entre estos tenemos la barita, limonita, magnetita , limaduras de acero y hematita.

Región : Gruesos 1.5”-3/8” (trituran caliza, canto rodado), Finos 3/8”-#100 (arenas b/quilla, bayunca). OBTENCION Y EXPLOTACION DE LOS AGREGADOS

CANTERA : Lugar geográfico donde se detecta la presencia de un yacimiento de agregado para concreto : Lo primero que se hace para una explotación de una cantera es el estudio de los suelos. En este estudio se tienen en cuente dos parámetros importantes :

- Extensión del manto o estrato de agregados.- Volumen (topografía ).

Para explotar una cantera o banco se tienen en cuenta los siguientes aspectos básicos :

- Clase del material requerido.- Facilidad de acceso.- Distancia de acarreo.- Derecho de propiedad.- Normas ambientales.- Uso de la tierra.

PROCESO DE EXPLOTACIÓN:

Después de haber elegido la cantera viene el proceso de explotación que comienza con:

* Descapote: Consiste en retirar toda la capa vegetal y toda la materia orgánica que existe en la superficie ( 2m de profundidad).

*Barrenado y Dinamitado: Se puede hacer por dos procesos : Manual o barreno y el dinamitado que es más industríal . En este proceso reducimos el tamaño de la piedra pero todavía no sirve como agregado.

* Excavación y Cargue: Buldozer, dragas, retroescavadoras para llevarlas a las volquetas para llevarlas a la cantera.

* Transporte: De los grandes materiales dinamitados, las rocas.

* Trituración: Se hace con quebradores (de quijadas, martillo y bolas ). En la trituración no se produce agregado triturados menores o iguales a 3".

* Zarandeo o cribado: En este proceso se hace la clasificación primaria del material , en agregado grueso y en agregado fino .

Calidad: Determinación de sus propiedades físicas. Se mide por la granulometria, humedad, contenido de material inorgánico, densidad, peso especifico, absorción, desgaste, dureza, etc.;.

PROPIEDADES FISICAS DE LOS AGREGADOS

Las propiedades física de los agregados que vamos estudiar relacionadas con la ingeniería civíl dependen de:- Tipo de obra que se va a construír .- Tipo de concreto que se desea fabricar.

CONCRETO ENDURECIDO

Tenemos que tocar 2 aspectos: El curado La resistencia mecánica

Curado.

Se refiere a cualquier método que se utilice para mantener las especificaciones de mezclas.hay varios métodos los cuales son:-Agua: Es el curador más utilizado , es el curador por excelencia.-Aditivos:También se utilizan para curar , tiene como finalidad de mantener la película por encima de la capa.- Otros: Ya sea por medios fisicos o mecánico ( arena húmedad ,sacos de fiques y acerrin ), que mantengan la húmedad superficial.