MÁRQUEZ MATA DANIELA

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD TECAMACHALCO

GRUPO 1AV39

PROF. JOSÉ ANTONIO RODRÍGUEZ LÓPEZ

G E O L O G Í A

EL CEMENTO PORTLAND

EL CEMENTO

El propósito de un cemento es ligar entre sí superficies o formar una masa

monolítica con partículas pequeñas como las de arena o grava. Aunque el

cemento portland es sólo uno de las muchas clases de cemento que se conocen,

es el más importante para la construcción debido a su resistencia y durabilidad.

Se lo emplea fundamentalmente en concretos y morteros, debiendo su nombre,

"Portland", a su descubridor, un albañil del siglo pasado llamado José Aspdin,

quien pensó que su aspecto era muy similar a las rocas de la región de

Portland, en Gran Bretaña.

El cemento portland se fabrica con piedra caliza y arcilla. La mezcla es

calcinada y el Clinker que resulta, molido y convertido en un polvo. El proceso

de fabricación puede ser dividido en tres etapas principales: la preparación de

las materias primas, su calcinación en hornos especiales y el molido del Clinker

para obtener el cemento en polvo.

UN POCO DE HISTORIA:

En el año 1750 el Ing. John Smeaton (Inglaterra) trató de obtener un aglomerante

netamente hidráulico, una especie de cemento de hoy día, que tuviera la

propiedad de endurecerse bajo el agua, — como ya antiguamente usaban los

romanos en sus obras, mezclando la cal con puzolana, producto este de origen

volcánico de color amarillento verdoso o marrón de Pozzuoli, cerca de Nápoles,

capaz de endurecerse en contacto con agua y transmitir esta propiedad a la cal

común.

Este mismo producto, formado por la descomposición de antiguos yacimientos

volcánicos se lialla en abundancia en las barrancas del río Rhin (en

d'Andernach, valle de Brohlbaen) con el nombre de "trass". Ha servido este

producto para preparar mezclas hidráulicas y fue extensamente usado, por

ejemplo, en Holanda en la construcción de obras marítimas.

Smeaton necesitaba tal tipo de material para construir un faro sobre los peñones

de Eddystone en Inglaterra. Realizó varios y prolongados ensayos con las

piedras calcáreas margosas de Abertaw, condado de Clamorghan, las que

molidas y luego •calcinadas daban la posibilidad de obtener morteros fuertes y

que se endurecían en contacto con el agua. Fue, en realidad, una cal de carácter'

eminentemente hidráulico,

— precursora del actual cemento artificial tipo Portland de fragüe lento. El

faro, construido con este material, fue demolido 120 años después a fuerza de

dinamita.

En 1795 Parkes (Inglaterra) descubre en la isla Scheppey piedras calizas con

35.% de arcilla (sílice y alúmina) con las cuales logra obtener un ligante

propiamente cementicio, al que da el nombre de "cemento acuático".

El Ing. Yicat (Francia) en 1818 se dedica al estudio de los productos calizos

(molidos y calcinados) y establece por vez primera las normas de: fraguado,

endurecimiento, resistencia a compresión y tracción, sutileza de molienda, índice

de hidraulicidad y las propiedades químicas.

Pero recién en el año 1824 un albañil inglés, Joseph Aspdin, consiguió fabricar un

material cementicio por trituración y calcinación de piedra calcárea y arcilla. El

elemento calcáreo lo recogía en los caminos, triturado por los vehículos, y lo

mezclaba con arcilla molida. Esta mezcla la sometía a la calcinación en hornos

rudimentarios y así obtuvo el "Clinker" que volvía a moler para obtener cementó

en polvo. A este producto Aspdin le dio el nombre de "Cemento Portland", por

tener la dureza y color semejantes a las piedras de las canteras de Portland en

Inglaterra. Los hijos de Joseph Aspdin, James y William, desarrollaron y

perfeccionaron la fabricación del cemento.

Cemento común, tipo Portland.

En general, tal designación corresponde siempre al cemento artificial común

de fraguado lento. Es un aglomerante eminentemente hidráulico y su

composición y propiedades varían ligeramente, según su procedencia.

Este tipo de cemento es un polvo de color gris, algo verdoso. Su densidad, peso

aparente, en estado suelto es de 1150 a 1400 Kg. por m3. y el peso específico

real es de 3100 a 3200 Kg. por m3. Debe entenderse por "estado suelto" del

cemento, tal como queda este en el recipiente al llenarlo, y por "estado compacto"

cuando se sacude el recipiente para que el cemento se asiente. En este último

estado el peso del cemento es de 1850 a 2010 Kg. por m3., aproximadamente.

Promedio de 1910 Kg. por m3.

Tiene mucha importancia para determinar el peso aparente (densidad) del

cemento — peso de un litro — la manera de llenar el recipiente. También tiene

influencia la capacidad y la altura de este último. El modo de llenar un recipiente

de 1 ó 5 ó 10 litros de capacidad, para determinar, la densidad del cemento en

estado suelto, se pesa previamente el recipiente vacío. Luego se llena este,

dejando deslizarse suavemente el cemento por una tabla inclinada a 45°. Una

vez lleno el recipiente, sin sacudirlo, se vuelve a pesar. La diferencia de las

pesadas dará el peso del cemento en estado suelto. Según las experiencias, la

densidad del cemento es tanto menor cuanto mayor es su grado de finura de

molido.

Para la conversión del peso del cemento tipo Portland normal a volumen, o

viceversa, se acepta generalmente, como peso aparente (densidad), que 1 m3.

de este pesa 1400 Kg., — aunque su valor medio es de 1270 Kg. Su coeficiente

de "aporte" es aproximadamente igual a 47 % (vacíos 53 %).

Composición química.

El cemento se compone de Cal + Arcilla (sílice y alúmina), elementos que

varían dentro de los siguientes límites:

1) 58 a 66 % de óxido de calcio (CaO), producto de cocción de piedras calizas

que se presentan en la naturaleza en estado de carbonato de calcio (CaCO2).

2) 19 a 26 % de sílice (óxido silícico Si02).

3) 3 a 6 % de Alúmina (Al2O3).

4) 4 a 7 % de óxido de hierro (Fe203) que se agrega como fundente.

Además contiene, como máximo, 2 % de anhídrido sulfúrico, de 1 a 3 % de

magnesio y hasta 3 % de álcalis.

El cemento común, en resumen, es un aglomerante hidráulico que no debe

contener menos de 1,7 partes de cal por cada parte, en peso, de los componentes

(sílice + alúmina + óxido de hierro), — producto que se obtiene por trituración y

mezcla íntima de todos estos elementos y luego su cochura hasta el principio de

fusión, cerca de 1500° C, formándose así el "Clinker" que se muele finamente.

La relación de contenido de cal a los componentes, arriba

mencionados, se llama Módulo de Hidraulicidad.

El cemento empastado con agua dulce se endurece y este proceso químico toma

el nombre de fraguado y, según la duración (tiempo de fraguado) de este, los

cementos se subdividen en: cemento de fraguado lento o de fraguado rápido. Los

cementos normales son siempre de fraguado rápido y la adición de yeso (sulfato

de calcio S04Ca) retarda el fraguado. En cambio, para acelerarlo se agrega

carbonato de soda (NaC02). En las obras de concreto armado se usan solamente

cementos de fraguado lento. Terminado el proceso de fraguado, que dura

alrededor de 6 horas, se inicia el endurecimiento propiamente dicho.

PROCESO DE ELABORACIÓN DEL CEMENTO PORTLAND

La primera etapa en la fabricación del cemento la constituye la extracción, de las

canteras, de las materias primas y su mezclado con agua para asegurar su

mezcla íntima. Hay una diferencia en el proceso según se utilice piedra caliza o

greda, lo cual puede ocurrir, dependiendo de cual material esté disponible o sea

más barato. Ambas sustancias son químicamente iguales (carbonatos de calcio)

pero sus propiedades físicas difieren ligeramente. De ahí que también su

procesamiento sea ligeramente diferente.

Cantera de Piedra Caliza

En el caso de la greda, se la transforma en pequeñas partículas en molinos

especiales. Se la mezcla con agua y arcilla, y el barro es filtrado para eliminar toda

partícula gruesa, que es retirada, molida en un molino de bolas y devuelta a la

corriente principal. La piedra caliza, una vez sacada de la cantera, es molida

finamente y mezclada con arcilla y agua, y el barro resultante pasado por un

molino de bolas que vuelve a molerlo.

Desde este momento el proceso es siempre el mismo, así se haya empleado

caliza o greda. El barro es llevado a grandes depósitos donde se lo revuelve

continuamente.

FORMACIÓN DEL CLINKER

El barro mencionado no es sino una simple mezcla húmeda de los ingredientes

básicos. Ahora se lo transfiere a un largo horno rotativo donde sufrirá varios

cambios químicos y emergerá como Clinker. En la primera etapa se produce el

secado por evaporación de toda el agua. La mezcla sigue su avance a lo largo del

horno (largo tubo de acero de unos 130 m. de longitud) aumentando cada vez

más su temperatura.

Los cambios químicos que tienen lugar son muy complejos y no del todo

comprendidos aún. Parece probable que cuando la arcilla, que es un silicato de

aluminio, es calentada, primero se deshidrata al tiempo que el carbonato de calcio

del yeso o de la caliza pierde bióxido de carbono para dar cal viva, exactamente

igual a lo que ocurre en un horno de cal.

A medida que estas sustancias se aproximan al extremo del horno se ponen al

rojo blanco (su temperatura es de unos 2.500° G.) y entran en nuevas

combinaciones químicas que dan por resultado el Clinker, sustancia vitrificada

que contiene óxidos de calcio, aluminio y silicio que se unen en compuestos tales

como el silicato tricálcico (3CaO Si02) y aluminato tricálcico (3CaOAl2O3).

Clinker

El horno rotativo posee una ligera pendiente para que los materiales avancen fácilmente a lo largo de él. La altísima

temperatura del extremo se obtiene quemando algún combustible, que en nuestro caso hemos supuesto sea carbón

finamente pulverizado, aunque puede utilizarse petróleo o gas natural. Un horno rotativo produce algo así como 500 toneladas

de Clinker cada 24 horas y consume unos 400 Kg. de carbón —o su equivalente— por cada tonelada de cemento.

Antes de que abandone el horno el Clinker incandescente es enfriado, lo que

puede hacerse mediante aire frío, mientras cadenas de acero colgadas en su

interior ayudan a extraer el calor. Al igual que en todas las otras etapas, se

hacen periódicamente ensayos para, comprobar la calidad del producto final.

DEL CLINKER AL CEMENTO

A continuación el Clinker es almacenado hasta que se lo necesite para molerlo.

Antes y durante la molienda se agrega una determinada cantidad de yeso (sulfato

de calcio), el cual sirve para ajustar la velocidad de fraguado del cemento

después que se le agrega agua.

En los molinos las piedras de Clinker son finamente pulverizadas. Luego el polvo

es llevado mediante bombas neumáticas a grandes silos, listo para ser retirado.

Para su uso suele embolsárselo, en bolsas de papel o de arpillera, de 50 Kg. de

capacidad.

PROPIEDADES DEL CEMENTO PORTLAND

El Clinker posee un aspecto de polvo color gris verdoso cuyo peso específico oscila

entre 3,05 y 3,15. Al ser amasado con agua se solidifica. Se dice entonces que

el cemento fragua. El fraguado dura alrededor de una hora, y una vez terminado

la resistencia del cemento aumenta en forma lenta y progresiva. El proceso de

endurecimiento dura meses y años pero a! cabo de los 28 días de terminado el

fraguado, el material alcanza un 70 por ciento de la máxima resistencia que

adquiere durante su vida útil.

Durante el tiempo que dura el fraguado se protege el material del viento y del sol

para evitar un desecamiento excesivamente rápido. Con este fin se lo moja

periódicamente. Si una vez iniciado el fraguado se agrega agua a la masa se

hace difícil el endurecimiento. Por ello, nunca se prepara mayor cantidad de pasta

que la utilizable inmediatamente. La temperatura a que se realiza el fraguado

influye en la resistencia y, ésta disminuye si sufre los efectos de una helada.

De acuerdo con el tiempo de fraguado, dos son los tipos de cemento más

usuales. Son los cementos de fraguado lento y los de fraguado rápido. Los de

fraguado lento son los empleados normalmente por su resistencia mayor y su

mejor manejabilidad. El yeso retarda el proceso de fraguado. Los cementos de

fraguado rápido son utilizados en obras hidráulicas.

El frío y el calor hacen variar muy poco el volumen del cemento portland pero

existe un excedente en las proporciones de contenido de cal o yeso o, si la

mezcla es defectuosa, se produce una variación de volumen fuera de lo normal

que se manifiesta mediante grietas de expansión.

Un factor que incide preponderantemente sobre la resistencia es el tamaño de

las partículas que lo constituyen. Al disminuir el tamaño de las partículas crece

la resistencia. Cuando las partículas son excesivamente pequeñas el efecto se

invierte, disminuyendo la resistencia. Por estas razones se determina la

composición granulométrica de los cementos mediante tamices que responden

a normas establecidas por institutos y sociedades especializadas en

investigaciones sobre cemento.

MÓDULO O ÍNDICE HIDRÁULICO

Los principales constituyentes del cemento portland son: cal (OCa), sílice (SiO2),

alúmina (Al2O3) y óxido férrico (Fe2O3). La cal actúa como base, mientras que

los

óxidos restantes actúan como radicales ácidos. La relación entre ambos es

una característica fundamental en un cemento y fue llamada índice o módulo

hidráulico por Michaelis.

Si un cemento tiene un índice hidráulico inferior a 1,7 no pertenece al tipo

portland. Si el índice es superior a 2,5 existirá un exceso de cal y aparecerán

grietas de expansión. La presencia de cal en la composición de un cemento le da

aptitud para el fraguado. La sílice hace más fácil el endurecimiento pero al mismo

tiempo un exceso en las proporciones de sílice retarda el fraguado.

El principal responsable del endurecimiento es el silicato tricálcico. Al disminuir

la proporción de cal se forma silicato bicálcico cuya capacidad de

endurecimiento es menor. La alúmina también contribuye al endurecimiento pero

al crecer la proporción en alúmina disminuye el tiempo de fraguado. Esta

sustancia da al material resistencia a la acción del agua, y por ello los cementos

con alta proporción de alúmina son aptos en perforaciones de campos

petrolíferos.

ENSAYOS DE CEMENTOS

Para determinar la rapidez con que se produce el fraguado, se emplea la aguja

de Vicat. Ella se mide determinando la profundidad de penetración de una aguja

de un milímetro cuadrado de sección bajo la acción de un peso de 300 gramos.

La resistencia se mide mediante ensayos mecánicos. Con ese fin, se fabrican

probetas de formas especiales que se someten a esfuerzos distintos en

máquinas apropiadas.

La romana de Michaelis es una máquina empleada para determinar la

resistencia a la tracción de una probeta de cemento de forma conveniente, lista

es sometida a un esfuerzo de tracción que crece en forma lenta y gradual hasta

que se rompe. Para determinar la resistencia a la compresión se usa la máquina

de Amsler-Amagat en la cual se toma un cubo de 7 cm. de lado y se lo somete

a un esfuerzo creciente de compresión hasta la rotura de la pieza.

ACCIÓN DEL HIELO Y DE LAS BAJAS TEMPERATURAS

Es de temer la acción del hielo durante la preparación de la pasta y en el primer

período de estacionamiento. Una vez seco, el material no sufre influencia

dañosa del hielo. Tomando las debidas precauciones, la acción del hielo no

será tan perniciosa. Obras de fundación profunda suelen realizarse sin tomar

cuidados especiales.

El cemento portland común, empastado a bajas temperaturas, inicia el fragüe

con retardo y está sujeto a mayor lentitud en el fraguado y endurecimiento,

adquiriendo una menor resistencia final que en condiciones normales de

temperatura. Esta disminución puede alcanzar valores del 30 al 60 %.

Las precauciones a tomar en el caso de bajas temperaturas son: no manipular

las pastas si presentan un principio de hielo; para el estacionamiento, no

considerar los días de helada, retardando el desencofrado; cubrir con telas u

otros aislantes la obra apenas terminada y si fuera posible acondicionar el

ambiente. En los casos de obras pequeñas se puede emplear agua tibia para

preparar la pasta, teniendo en cuenta que al mismo tiempo se requiere una

mayor cantidad de agua.