EL CEMENTO

Tabla de contenido 11.1 1.2 INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 4 OBJETIVOS ............................................................................................................................... 4 IMPORTANCIA .......................................................................................................................... 4 2 2.1 2.2 HISTORIA DEL CEMENTO ...................................................................................... 6 ANTECEDENTES ....................................................................................................................... 6 HISTORIA DEL CEMENTO PORTLAND ....................................................................................... 6 3 3.1 PROCESO DE FABRICACIÓN ................................................................................. 8 OBTENCIÓN Y PREPARACIÓN DE MATERIAS PRIMAS ............................................................... 8 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 Caliza ............................................................................................................................................ 8 Arcilla ............................................................................................................................................ 9 Hierro ............................................................................................................................................ 9 Yeso............................................................................................................................................. 10 3.2 3.3 HOMOGENIZACIÓN DE MOLIENDA DE CRUDO ....................................................................... 11 PRECALENTADOR DE CICLONES ............................................................................................ 12 3.3.1 3.3.2 Método de Vía Seca .................................................................................................................... 12 Método de Vía Húmeda .............................................................................................................. 13 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 FABRICACIÓN DE CLÍNKER - HORNO..................................................................................... 14 COMPOSICIÓN DEL CLÍNKER ................................................................................................. 15 FABRICACIÓN DE CLÍNKER - ENFRIADOR.............................................................................. 15 MOLIENDA DE CLÍNKER ........................................................................................................ 16 EXPEDICIÓN ........................................................................................................................... 17 4 4.1 4.2 4.3 COMPONENTES DEL CEMENTO......................................................................... 17 EL CEMENTO .......................................................................................................................... 17 DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES .................................................................................... 18 OTROS COMPONENTES PRESENTES: ...................................................................................... 21 5 5.1 5.2 PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DEL CEMENTO ............................. 25 PESO ESPECÍFICO ................................................................................................................... 25 SUPERFICIE ESPECÍFICA (FINURA) ......................................................................................... 25 6 6.1 RESISTENCIA MECÁNICA DEL CEMENTO ..................................................... 26 RETRACCIÓN Y FISURAS ........................................................................................................ 26 7 7.1 7.2 FRAGUADO DEL CEMENTO ................................................................................. 27 FALSO FRAGUADO ................................................................................................................. 28 HIDRATACIÓN DEL CEMENTO ............................................................................................... 28 8 TIPOS DE CEMENTO............................................................................................... 29 2 8.1 8.2 TIPO, NOMBRE Y APLICACIÓN................................................................................................ 30 CEMENTOS NATURALES ........................................................................................................ 32 8.2.1 8.2.2 Cemento Natural Lento .............................................................................................................. 32 Cemento Natural Rápido ............................................................................................................ 32 8.3 8.4 8.5 CEMENTOS HIDRÁULICOS MEZCLADOS ................................................................................ 33 CEMENTOS ESPECIALES ........................................................................................................ 35 OTROS TIPOS DE CEMENTOS ................................................................................................. 36 9 9.1 LA CALIDAD DEL CEMENTO ............................................................................... 37 CONTROL DE CALIDAD DEL CEMENTO ...................................................................... 37 9.1.1 9.1.2 Control químico........................................................................................................................... 37 Control físico ............................................................................................................................... 38 9.2 9.3 ENSAYO DE COMPRESIÓN DEL MORTERO DE CEMENTO ....................................................... 38 ENSAYO DE DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD ABSOLUTA, DE CONSISTENCIA NORMAL Y DE TIEMPO DE FRAGUADO DEL CEMENTO HIDRÁULICO ......................................................................... 39 10 10.1 10.2 APLICACIONES DEL CEMENTO...................................................................... 39 APLICACIONES MÁS USUALES ............................................................................................... 41 DETALLES .............................................................................................................................. 42 10.2.1 10.2.2 HORMIGÓN ............................................................................................................................ 42 Revestimientos de Cemento ................................................................................................... 43 11 12 13 LA INDUSTRIA DEL CEMENTO EN EL ECUADOR ..................................... 44 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................... 46 BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 47 3 1 1.1 INTRODUCCIÓN Objetivos Estudio del proceso de obtención, fabricación del cemento y lo relacionado con su correcta aplicación, como especificaciones de uso, dosificaciones de acuerdo al medio en que será utilizado, desempeño y los resultados obtenidos en el campo de la construcción de obras estructurales. 1.2 Importancia De todos los conglomerantes hidráulicos el cemento portland y sus derivados son los más empleados en la construcción debido a estar formados, básicamente, por mezclas de caliza, arcilla y yeso que son minerales muy abundantes en la naturaleza, ser su precio relativamente bajo en comparación con otros materiales y tener unas propiedades muy adecuadas para las metas que deben alcanzar. Dentro de los conglomerantes hidráulicos entran también los cementos de horno alto, los puzolánicos y los mixtos, teniendo todos éstos un campo muy grande de empleo en hormigones para determinados medios, así como los cementos aluminosos "cementos de aluminato de calcio", que se aplican en casos especiales. 4 EL CEMENTO 5 2 2.1 Historia del cemento Antecedentes Hace 5.000 años aparecen al norte de Chile las primeras obras de piedra unidas por un conglomerante hidráulico procedente de la calcinación de algas, estas obras formaban las paredes de las chozas utilizadas por los indios. Los egipcios emplearon morteros de yeso y de cal en sus construcciones monumentales. En Troya y Micenas, dice la historia que, se emplearon piedras unidas por arcilla para construir muros, pero, realmente el hormigón confeccionado con un mínimo de técnica aparece en unas bóvedas construidas cien años antes de J.C. Los romanos dieron un paso importante al descubrir un cemento que fabricaban mezclando cenizas volcánicas con cal viva. En Puteoli conocido hoy como Puzzuoli se encontraba un depósito de estas cenizas, de aquí que a este cemento se le llamase "cemento de puzolana". Con hormigón construye Agripa en el año 27 antes de J.C. el Panteón en Roma, que sería destruido por un incendio y reconstruido posteriormente por Adriano en el año 120 de nuestra era y que, desde entonces, desafió el paso de tiempo sin sufrir daños hasta el año 609 se transformó en la iglesia de Santa María de los Mártires. Su cúpula de 44 metros de luz está construida en hormigón y no tiene más huecos que un lucernario situado en la parte superior. 2.2 Historia del cemento Portland Hasta el siglo XVIII puede decirse que los únicos conglomerantes empleados en la construcción fueron los yesos y las cales hidráulicas, sin embargo, es durante este siglo cuando se despierta un interés notable por el conocimiento de los cementos. John Smeaton, ingeniero de Yorkshire (Inglaterra), al reconstruir en 1758 el faro de Eddystone en la costa de Cornish, se encuentra con que los morteros formados por la adición de una puzolana a una caliza con alta proporción de arcilla eran los que mejores resultados daban frente a la acción de las aguas marinas y que la presencia de 6 arcilla en las cales, no sólo las perjudicaba sino que por el contrario, las mejoraba, haciendo que estas cales fraguasen bajo el agua y que una vez endurecidas fuesen insolubles en ella. Puede decirse con acierto que el primer padre del cemento fue Vicat a él se debe el sistema de fabricación que se sigue empleando en la actualidad y que propuso en 1817. Vicat fue un gran investigador y divulgador de sus trabajos; en 1818 publicó su "Reserches experimentales" y en 1928 "Mortiers et ciments calcaires". En estos trabajos marca la pauta a seguir en la fabricación del cemento por medio de mezclas calizas y arcillas dosificadas en las proporciones convenientes y molidas conjuntamente. El sistema de fabricación que empleó Vicat fue el de vía húmeda y con él marcó el inicio del actual proceso de fabricación. Este gran científico en 1853 empieza a estudiar la acción destructiva del agua de mar sobre el mortero y hormigón. En 1824, Joseph Aspdin, un constructor de Leeds en Inglaterra, daba el nombre de cemento portland y patentaba un material pulverulento que amasado con agua y con arena se endurecía formando un conglomerado de aspecto parecido a las calizas de la isla de Portland. Probablemente, el material patentado por Aspdin era una caliza hidráulica debido, entre otras cosas, a las bajas temperaturas empleadas en la cocción. En 1838 Brunel emplea por primera vez un cemento procedente de la fábrica de Aspdin en el que se había logrado una parcial sintetización por elección de una temperatura adecuada de cocción. Este cemento se aplicó en la construcción de un túnel bajo el río Támesis en Londres. Puede decirse que el prototipo del cemento moderno fue producido a escala industrial por Isaac Johnson quien en 1845 logra conseguir temperaturas suficientemente altas para clinkerizar a la mezcla de arcilla y caliza empleada como materia prima. El intenso desarrollo de la construcción de ferrocarriles, puentes, puertos, diques, etc., en la segunda mitad del siglo XIX, da una importancia enorme al cemento y las fábricas de éste, especialmente las de cemento natural, empiezan a extenderse por doquier. 7 Es a partir de 1900 cuando los cementos portland se imponen en las obras de ingeniería y cuando empieza un descenso veloz del consumo de cementos naturales. Actualmente, el cemento portland ha llegado a una gran perfección y es el material industrializado de construcción de mayor consumo Se puede decir que el cemento es el alma del hormigón, yendo destinada, prácticamente, toda su producción a en lazar piedras sueltas para crear el material pétreo que conocemos como hormigón. Las investigaciones llevadas a cabo por los padres del cemento Michaelis y Le Chatelier, en 1870 y 1880, fueron fundamentales y muy meritorias para el desarrollo de este material. En ellas se apoya toda la investigación actual que emplea técnicas de análisis muy sofisticadas y rápidas. 3 Proceso de Fabricación 3.1 Obtención y preparación de materias primas El proceso de fabricación del cemento comienza con la extracción de las materias primas que se encuentran en yacimientos, normalmente canteras a cielo abierto. Las canteras se explotan mediante voladuras controladas, en el caso de materiales duros como calizas y pizarras, mientras que en el caso de materiales blandos (arcillas y margas) se utilizan excavadoras para su extracción. A continuación se detallan cada uno de ellos. 3.1.1 Caliza La caliza es una roca sedimentaria compuesta mayoritariamente por carbonato de calcio (CaCO3), generalmente calcita. También puede contener pequeñas cantidades de minerales como arcilla, hematita, siderita, cuarzo, etc., que modifican el color y el grado de coherencia de la roca. El carácter prácticamente mono-mineral de las calizas permite, sin embargo, reconocerlas fácilmente gracias a dos características físicas y químicas fundamentales de la calcita: es menos dura que el acero (su dureza en la escala de Mohs es de 3) y reacciona con efervescencia en presencia de ácidos tales como el ácido clorhídrico. La formación de la caliza puede ser de dos tipos. De origen químico cuando el carbonato de calcio se disuelve con mucha facilidad en aguas que contienen gas carbónico disuelto (CO2). En entornos en los que aguas cargadas de CO2 liberan bruscamente este gas en la atmósfera, se produce generalmente la precipitación del carbonato de calcio en exceso según la siguiente reacción: 8 Ca2+ + 2 (HCO3−) = CaCO3 + H2O + CO2 entornos: en el litoral cuando llegan a la superficie aguas cargadas de CO2 y, sobre los continentes, cuando las aguas subterráneas alcanzan la superficie. También la formación de la caliza puede ser de origen biológico, esto se produce en el proceso de fosilización de los seres vivos. Numerosos organismos utilizan el carbonato de calcio para construir su esqueleto mineral, debido a que se trata de un compuesto abundante y muchas veces casi a saturación en las aguas superficiales de los océanos y lagos. Tras la muerte de esos organismos, se produce en muchos entornos la acumulación de esos restos minerales en cantidades tales que llegan a constituir sedimentos que son el origen de la gran mayoría de las calizas existentes. 3.1.2 Arcilla La arcilla es uno de los compuestos mineralógicos más comunes sobre la superficie de la Tierra, la arcilla en si es una mezcla de silicatos de diferentes metales principalmente silicatos de aluminio hidratados, procedentes de la descomposición de minerales de aluminio. Presenta diversas coloraciones según las impurezas que contiene, siendo blanca cuando es pura. Surge de la descomposición de rocas que contienen feldespato, originada en un proceso natural que dura decenas de miles de años. Químicamente es un silicato hidratado de alúmina, cuya fórmula es: Al2O3 · 2SiO2 · H2O. Se caracteriza por adquirir plasticidad al ser mezclada con agua, y también sonoridad y dureza al calentarla por encima de 800º C. La arcilla endurecida mediante la acción del fuego fue la primera cerámica elaborada por el hombre, y aún es uno de los materiales más baratos y de uso más amplio. Ladrillos, utensilios de cocina, objetos de arte e incluso instrumentos musicales como la ocarina son elaborados con arcilla. Los diferentes tipos de suelos arcillosos son denominados generalmente como Caolín, cuyo principal mineral constituyente es la colinita. 3.1.3 Hierro Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas; es ferro magnético a temperatura ambiente y presión atmosférica. Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos muchos óxidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado elemental, los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de refinado para eliminar las impurezas presentes. El hierro es el metal más usado, con el 95% en peso de la producción mundial de metal. El hierro puro (pureza a partir de 99,5%) no 9 tiene demasiadas aplicaciones, salvo excepciones para utilizar su potencial magnético. El hierro tiene su gran aplicación para formar los productos siderúrgicos, utilizando éste como elemento matriz para alojar otros elementos aleantes tanto metálicos como no metálicos, que confieren distintas propiedades al material. Se considera que una aleación de hierro es acero si contiene menos de un 2% de carbono; si el porcentaje es mayor, recibe el nombre de fundición. El acero es indispensable debido a su bajo precio y dureza. 3.1.4 Yeso El yeso es un producto preparado básicamente a partir de una piedra natural denominada aljez, mediante deshidratación, al que puede añadirse en fábrica determinadas adiciones de otras sustancias químicas para modificar sus características de fraguado, resistencia, adherencia, retención de agua y densidad, que una vez amasado con agua, puede ser utilizado directamente. También, se emplea para la elaboración de materiales prefabricados. El yeso, como producto industrial, es sulfato de calcio hemihidrato (CaSO4·½H2O), también llamado vulgarmente "yeso cocido". Se comercializa molido, en forma de polvo. Una variedad de yeso, denominada alabastro, se utiliza profusamente, por su facilidad de tallado, para elaborar pequeñas vasijas, estatuillas y otros utensilios. El yeso natural, o sulfato cálcico bihidrato CaSO4·2H2O, está compuesto por sulfato de calcio con dos moléculas de agua de hidratación. Si se aumenta la temperatura hasta lograr el desprendimiento total de agua, fuertemente combinada, se obtienen durante el proceso diferentes yesos empleados en construcción, los que de acuerdo con las temperaturas crecientes de deshidratación pueden ser:          Temperatura ordinaria: piedra de yeso, o sulfato de calcio bihidrato: CaSO4· 2H2O. 107 ºC: formación de sulfato de calcio hemihidrato: CaSO4·½H2O. 107 - 200 ºC: desecación del hemihidrato, con fraguado más rápido que el anterior: yeso comercial para estuco. 200 - 300 ºC: yeso con ligero residuo de agua, de fraguado lentísimo y de gran resistencia. 300 - 400 ºC: yeso de fraguado aparentemente rápido, pero de muy baja resistencia 500 - 700 ºC: yeso Anhidro o extra cocido, de fraguado lentísimo o nulo: yeso muerto. 750 - 800 ºC: empieza a formarse el yeso hidráulico. 800 - 1000 ºC: yeso hidráulico normal, o de pavimento. 1000 - 1400 ºC: yeso hidráulico con mayor proporción de cal libre y fraguado más rápido. Una vez extraído y clasificado el material, se procede a su trituración hasta obtener una granulometría adecuada para el producto de molienda y se traslada a la fábrica mediante cintas transportadoras o camiones para su almacenamiento en el parque de prehomogeneización. 10 3.2 Homogenización de molienda de crudo En el parque de prehomogeneización, el material triturado se almacena en capas uniformes para ser posteriormente seleccionadas de forma controlada. La prehomogeneización permite preparar la dosificación adecuada de los distintos componentes reduciendo su variabilidad. Posteriormente, estos materiales se muelen en molinos verticales o de bolas para reducir su tamaño y favorecer así su cocción en el horno. En el molino vertical se tritura el material a través de la presión que ejercen sus rodillos sobre una mesa giratoria. A partir de ahí, la materia prima (harina o crudo) se almacena en un silo para incrementar la uniformidad de la mezcla. 11 3.3 Precalentador de ciclones En función de cómo se procesa el material antes de su entrada en el horno Clínker, se distinguen cuatro tipos de procesos de fabricación: vía seca, vía semi-seca, vía semi-húmeda o vía húmeda. En la actualidad, la mayoría de las cementeras utilizan la vía seca. 3.3.1 Método de Vía Seca 12 En el método de vía seca, la mezcla triturada almacenada en los silos de homogenización se lleva a una torre de precalentamiento, que tiene una temperatura entre 900 y 1,000 °C. El calor proviene de gases producidos por la combustión del combustible del horno, el cual puede ser carbón, gas o aceites combustibles. El objetivo del precalentamiento es el de ahorrar energía, ya que se aprovecha el calor emanado por los hornos. 3.3.2 Método de Vía Húmeda 13 En el método de vía húmeda no se precalienta la mezcla triturada, sino que ésta es transportada por bombas centrífugas a los hornos. En ambos casos se lleva el material a un horno, el cual es un largo cilindro de acero revestido interiormente con ladrillos refractarios, y que gira alrededor de su eje longitudinal, con una pequeña pendiente descendente. La velocidad de rotación varía de 0 a 150 revoluciones por hora, y a través de ese movimiento el material sigue sus reacciones químicas para formar los compuestos del clínker. En el horno se distinguen las siguientes etapas, las cuales son: secado, calcinación, clinkerización y enfriamiento. La alimentación al horno se realiza a través del precalentador de ciclones, que calienta la materia prima para facilitar su cocción. La harina o crudo (materia prima molida) se introduce por la parte superior de la torre y va descendiendo por ella. Mientras tanto, los gases provenientes del horno, que están a altas temperaturas, ascienden a contracorriente, precalentando así el crudo que alcanza los 1.000°C antes de entrar al horno. 3.4 Fabricación de Clínker - Horno A medida que la harina va avanzando en el interior del horno, mientras éste rota, la temperatura va aumentando hasta alcanzar los 1.500°C. A esta temperatura se producen complejas reacciones químicas que dan lugar al Clínker. 14 3.5 Composición del Clínker El clínker está compuesto por:     Silicato tricálcico : de 40 a 60% Silicato bicálcico : de 20 a 30% Aluminato tricálcico: de 7 a 14% Ferrito aluminato tetracálcico: de 5 a 12%. El aluminato tricálcico reacciona con el agua de inmediato, por eso, al hacer cemento, éste fragua rápidamente. Para impedirlo se le agrega yeso; éste reacciona con el aluminato produciendo etringita o Sal de Candlot (sustancia dañina para el cemento). Por lo general el curado se efectúa dentro de los 28 días, aunque su resistencia sigue en aumento después de ese tiempo. Para alcanzar las temperaturas necesarias para la cocción de las materias primas y la producción de Clínker, el horno cuenta con una llama principal que arde a 2.000°C. En algunos casos, también hay una llama secundaria situada en la cámara de combustión, que se encuentra en la torres del precalentador. Estas llamas se alimentan con combustibles tradicionales, como el carbón o el coque de petróleo, o alternativos como los neumáticos o los lodos de depuradora, entre otros. 3.6 Fabricación de Clínker - Enfriador A la salida del horno, el clínker se introduce en el enfriador, que inyecta aire frío del exterior para reducir su temperatura de los 1.400°C a los 100°C. El aire caliente generado en este dispositivo se introduce nuevamente en el horno para favorecer la combustión, mejorando así la eficiencia energética el proceso. 15 3.7 Molienda de Clínker Una vez obtenido, el clínker se mezcla con yeso y adiciones, en proporciones adecuadas, dentro de un molino de cemento. En su interior los materiales se muelen, se mezclan y homogeneízan. Los molinos pueden ser de rodillos (horizontales y verticales) y de bolas. Este último consiste en un gran tubo que rota sobre sí mismo y que contiene bolas de acero en su interior. Gracias a la rotación del molino, las bolas colisionan entre sí, triturando el clínker y las adiciones hasta lograr un polvo fino y homogéneo: el cemento Las distintas calidades del cemento se obtienen con la adición de materiales como escorias de alto horno, humo de sílice, puzolanas naturales, cenizas volantes y caliza, que le permiten alcanzar determinadas características para su uso que se establecen en la reglamentación vigente. 16 3.8 Expedición Por último, el cemento se almacena en silos, separado según sus clases, antes de ser ensacado o descargado en un camión cisterna para su transporte. 4 Componentes del cemento 4.1 El cemento El cemento es un conglomerante hidráulico, es decir, un material inorgánico finamente molido que amasado con agua, forma una pasta que fragua y endurece por medio de reacciones y procesos de hidratación y que, una vez endurecido conserva su resistencia y estabilidad incluso bajo el agua. Dosificado y mezclado apropiadamente con agua y áridos debe producir un hormigón o mortero que conserve su trabajabilidad durante un tiempo suficiente, alcanzar unos niveles de resistencias preestablecido y presentar una estabilidad de volumen a largo plazo. El endurecimiento hidráulico del cemento se debe principalmente a l hidratación de los silicatos de calcio, aunque también pueden participar en el proceso de endurecimiento otros compuestos químicos, como por ejemplo, los aluminatos. La suma de las proporciones de óxido de calcio reactivo (CaO) y de dióxido de silicio reactivo (SiO2) será al menos del 50% en masa, cuando las proporciones se determinen conforme con la Norma Europea EN 196-2. 17 Los cementos están compuestos de diferentes materiales (componentes) que adecuadamente dosificadas mediante un proceso de producción controlado, le dan al cemento las cualidades físicas, químicas y resistencias adecuadas al uso deseado. Existen, desde el punto de vista de composición normalizada, dos tipos de componentes:  Componente principal: Material inorgánico, especialmente seleccionado, usado en proporción superior al 5% en masa respecto de la suma de todos los componentes principales y minoritarios.  Componente minoritario: Cualquier componente principal, usado en proporción inferior al 5% en masa respecto de la suma de todos los componentes principales y minoritarios. 4.2  Descripción de los componentes Caliza (L) Especificaciones:     CaCO3 >= 75% en masa. Contenido de arcilla < 1,20 g/100 g. Contenido de carbono orgánico total TOC) <= 0,50% en masa. Caliza (LL) Especificaciones:    CaCO3 >= 75% en masa. Contenido de arcilla < 1,20 g/100 g. Contenido de carbono orgánico total TOC) <= 0,20% en masa.  Cenizas volantes calcáreas (W) Las cenizas volantes se obtienen por precipitación electrostática o mecánica de partículas pulverulentas arrastradas por los flujos gaseosos de hornos alimentados con carbón pulverizado. La ceniza volante calcárea es un polvo fino que tiene propiedades hidráulicas y/o puzolánicas. Composición: SiO2 reactivo, Al2O3, Fe2O3 y otros compuestos. Especificaciones: 18  CaO reactivo > 10,0% en masa si el contenido está entre el 10,0% y el 15,0% las cenizas volantes calcáreas con más del 15,0% tendrán una resistencia a compresión de al menos 10,0 Mpa a 28 días    SiO2 reactivo >= 25% Expansión estabilidad) <= 10 mm Pérdida por calcinación <= 5,0% en masa si está entre el 5,0% y 7,0% en masa (pueden también aceptarse, con la condición de que las exigencias particulares de durabilidad, y principalmente en lo que concierne a la resistencia al hielo, y la compatibilidad con los aditivos, sean cumplidas conforme a las normas o reglamentos en vigor para hormigones o morteros en los lugares de utilización)  Cenizas volantes silíceas (V) Las cenizas volantes se obtienen por precipitación electrostática o mecánica de partículas pulverulentas arrastradas por los flujos gaseosos de hornos alimentados con carbón pulverizado. La ceniza volante silícea es un polvo fino de partículas esféricas que tiene propiedades puzolánicas. Composición química: SiO2 reactivo, Al2O3, Fe2O3 y otros compuestos. Especificaciones:    (SiO2) reactivo >= 25% CaO reactivo < 10,0% en masa CaO libre < 1,0% en masa si el contenido es superior al 1,0% pero inferior al 2,5% es también aceptable con la condición de que el requisito de la expansión (estabilidad) no sobrepase los 10 mm.  Pérdida por calcinación < 5,0% en masa si el contenido está entre el 5,0% y 7,0% en masa pueden también aceptarse, con la condición de que las exigencias particulares de durabilidad, y principalmente en lo que concierne a la resistencia al hielo, y la compatibilidad con los aditivos, sean cumplidas conforme a las normas o reglamentos en vigor para hormigones o morteros en los lugares de utilización.  Clínker (K) El clínker de cemento portland es un material hidráulico que se obtiene por sintetización de una mezcla especificada con precisión de materias primas (crudo, pasta o harina). Composición química: CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 y otros compuestos. Especificaciones: 19    (CaO)/(SiO2) >= 2,0 MgO <= 5,0% 3CaO.SiO2 + 2CaO.SiO2 >= 2/3  Clínker Aluminato de Calcio El clínker de cemento de aluminato de calcio es un material hidráulico que se obtiene por fusión o sinterización de una mezcla homogénea de materiales aluminosos y calcáreos conteniendo elementos, normalmente expresados en forma de óxidos, siendo los principales los óxidos de aluminio, calcio y hierro (Al2O3, CaO, Fe2O3), y pequeñas cantidades de óxidos de otros elementos (SiO2, TiO2, S=, SO3, Cl-, Na2O, K2O, etc.). El componente mineralógico fundamental es el aluminato monocálcico (CaO Al2O3).  Escoria granulada de horno alto (S) La escoria granulada de horno alto se obtiene por enfriamiento rápido de una escoria fundida de composición adecuada, obtenida por la fusión del mineral de hierro en un horno alto. Composición química: CaO, SiO2, MgO, Al2O3 y otros compuestos. Especificaciones:    Fase vítrea >= 2/3 CaO + MgO + SiO2 >= 2/3 CaO + MgO)/SiO2) > 1,0  Esquistos calcinados (T) El esquisto calcinado, particularmente el bituminoso, se produce en un horno especial a temperaturas de aproximadamente 800ºC y finamente molido presenta propiedades hidráulicas pronunciadas, como las del cemento Portland, así como propiedades puzolánicas. Composición: SiO2, CaO, Al2O3, Fe2O3 y otros compuestos. Especificaciones:   Resistencia a compresión a 28 días >= 25,0 MPa La expansión estabilidad) <= 10 mm 20 NOTA: Si el contenido en sulfato SO3 del esquisto calcinado excede el límite superior permitido para el contenido de sulfato en el cemento, esto debe tenerse en cuenta por el fabricante del cemento reduciendo convenientemente los constituyentes que contienen sulfato de calcio.  Humo de Sílice (D) El humo de Sílice se origina por la reducción de cuarzo de elevada pureza con carbón en hornos de arco eléctrico, para la producción de silicio y aleaciones de ferro-silicio, y consiste en partículas esféricas muy finas. Especificaciones:    SiO2) amorfo >= 85% Pérdida por calcinación <= 4,0% en masa Superficie específica BET) >= 15,0 m2/g  Puzolana natural (P) Las puzolanas naturales son normalmente materiales de origen volcánico o rocas sedimentarias de composición silícea o sílico-aluminosa o combinación de ambas, que finamente molidos y en presencia de agua reaccionan para formar compuestos de silicato de calcio y aluminato de calcio capaces de desarrollar resistencia. Composición química: SiO2 reactivo, Al2O3, Fe2O3, CaO y otros compuestos. Especificaciones: SiO2 reactiva > 25%  Puzolana natural calcinada (Q) Las puzolanas naturales calcinadas son materiales de origen volcánico, arcillas, pizarras o rocas sedimentarias activadas por tratamiento térmico. Composición química: SiO2 reactivo, Al2O3, Fe2O3, CaO y otros compuestos. Especificaciones: SiO2 reactiva > 25% 4.3 Otros Componentes presentes: - Óxido de Magnesio El oxido magnésico se puede encontrar en las calizas como la dolomita o en las escorias de alto horno. Esta se combina hasta en un 2% en las fases principales del clínker; el exceso ya aparece como MgO (periclasa). 21 La periclasa con el agua se hidrata en una reacción muy lenta, sucediendo cuando las restantes reacciones de endurecimiento del cemento ya han concluido; esta hidratación del MgO lleva consigo un aumento del volumen que puede ocasionar agrietamiento y hasta desintegración del concreto ya endurecido. El máximo admisible es de 5% al 6%. -Álcalis Recibe el nombre de álcalis los óxidos de sodio (Na2O) y los de potasio (K2O) que se encuentran presentes en las margas y en las arcillas, también pueden ser aportadas por las cenizas del carbón si este se emplea como combustible. Los álcalis pueden reaccionar con ciertos agregados que contienen sílice activa, como la fridimita y algunas rocas volcánicas; esta reacción puede dar lugar a fenómenos de expansión por los álcalis, ocasionando la desintegración del concreto. La expansión del concreto, por causa de los álcalis, se puede evitar controlando su contenido en el cemento, dosificación que no debe ser mayor al 0.6%. En cementos con escorias este porcentaje límite de álcalis puede llegar al 2%, si el contenido de escorias es superior al 65%. El contenido de álcalis no debe eliminarse, porque se ha comprobado que en cementos que no contienen este material la resistencia inicial de la pasta de cemento, puede ser anormalmente baja. Como parte de los álcalis se volatilizan en el horno, la forma de controlar el porcentaje es liberando una fracción de los gases desprendidos en el horno. - Azufre El azufre se encuentra en casi todas las materias primas para el cemento, combinado con sulfuros (pirita y marcasita); además los combustibles también contienen azufre en cantidades muy volátiles. El azufre en el alto horno se gasifica en forma de SO2 y se combina con los álcalis, produciendo sulfatos alcalinos gaseosos que se depositan en las partes frías del horno y en la mezcla calizoarcillosa. El sulfato alcalino combinado en las fases del clínker, es ventajoso para las resistencias iníciales de la pasta de cemento. Pero altos contenidos de azufre no combinado, pueden dar lugar a emisiones elevadas de SO2 o a la formación de costras en el horno que impidan el avance del material. El cemento necesita una cantidad mínima de sulfato de calcio, en la mayoría de los casos, como de yeso molido, para regular el tiempo de fraguado; sin embargo, se ha limitado la máxima cantidad 22 permisible de SO3 con el fin de impedir la expansión de los sulfatos. Según las normas ICONTEC, los máximos son de 3.5 y 4.5%, dependiendo del tipo de cemento. El aluminato tricalcico del cemento al hidratarse reacciona con los sulfatos formando sulfoaluminato tricalcico, que se hidrata con 32 moléculas de agua; si esta reacción ocurre después de endurecido el concreto se produce agrietamiento y hasta desintegración, porque es expansiva, también puede causar manchas en el concreto. - Cloruros El cloro, presente en las materias primas, en el horno reaccionan con el oxigeno y los álcalis formando cloruros en estado gaseoso, que después se precipitan, depositándose en el horno y creando costras que interrumpen el buen funcionamiento del mismo. Esto se impide mediante la desviación de los gases, cuando el contenido del cloro es del orden del 0.015% del peso del crudo. Antes se acostumbraba agregar cloruros a los cementos de alta resistencia con el fin de elevarla en su etapa inicial; cuando se demostró que los cloruros facilitan la corrosión de las armaduras de acero, se prohibió esta costumbre. El máximo admisible de cloro es de 0.1%. 23 24 5 Propiedades físicas y mecánicas del Cemento Las propiedades físicas y mecánicas del cemento portland se miden mediante ensayos realizados en el cemento puro, en la pasta o en el mortero y muestran la calidad del cemento si se comparan los resultados con las especificaciones de la norma ICONTEC 121. 5.1 Peso específico La densidad o peso especifico se define como la relación de peso a volumen; su valor varía entre 3.08 a 3.20 gr/cm3 para el cemento portland tipo 1, pero el cemento que tiene adiciones tiene un peso especifico menor porque el contenido de clínker es menor. El peso especifico del cemento no indica la calidad del cemento, pero se emplea en el diseño y control de mezclas de concreto; sin embargo un peso especifico bajo y una finura alta indican que el cemento tiene adiciones. 5.2 Superficie específica (finura) La finura del cemento es una de las propiedades físicas más importantes del cemento, ya que está directamente relacionada con la hidratación del mismo. La hidratación de los granos de cemento ocurre del exterior hacia el interior; luego el área superficial de la partícula de cemento constituye el material de hidratación, y el tamaño de los granos (su finura) tiene gran influencia en la velocidad de hidratación, en el desarrollo de calor, en la refracción y en el aumento de resistencia con la edad. Cuando el cemento es muy fino endurece más rápido y por tanto desarrolla alta resistencia en menor tiempo; sin embargo libera mayor cantidad de calor y por ende aumenta la retracción y la susceptibilidad a la figuración, además una molienda fina aumenta los costos de producción y hace que el cemento sea susceptible a hidratarse con la humedad ambiental, por lo que su vida útil es más corta. Un grano fino exuda menos que un grano grueso porque retiene mejor el agua al tener mayor superficie de hidratación. La finura se expresa por el área superficial de las partículas contenidas en un grano de cemento y se llama superficie específica; se mide en cm2/gr. En el laboratorio la densidad se puede medir de dos maneras: Por tamizados en tamices No100 (149) y No 200 (79) siguiendo la norma ICONTEC No 226. La finura se mide en el laboratorio mediante el aparato de permeabilidad al aire de Blaine, siguiendo la norma ICONTEC No 33. El método consiste en determinar la permeabilidad del aire de una capa de cemento y se basa en el hecho de que la cantidad y el tamaño de los poros de una 25 muestra de determinada densidad son funciones del tamaño de las partículas y de su distribución granulométricas. 6 Resistencia Mecánica del cemento La resistencia mecánica del cemento endurecido es la propiedad del material que tiene mayor influencia en los fines estructurales para los cuales se emplea. Para medir la resistencia mecánica del cemento, se fabrican probetas de mortero, empleando arena normalizada con una gradación abierta, compuesta por tres tamaños y con una proporción determinada de 2.75 partes de esta arena por una parte de cemento. Utilizando la cantidad de agua necesaria para que el mortero tenga una fluidez entre 110 y 115. La norma ICONTEC 220 especifica el método para determinar la resistencia a la compresión en probetas de mortero. No se mide la compresión en probetas de concreto como sería lo más lógico, puesto que es la mayor y la más importante aplicación del cemento, pero existe dificultades en obtener agregados gruesos normalizados. 6.1 Retracción y Fisuras En condiciones normales la pasta de cemento se contrae al endurecer; la mayor retracción ocurre en los primeros dos o tres meses de hidratación del cemento. En cementos normales esta retracción es del orden de 0.015%. Las retracciones se originan cuando los esfuerzos y tensiones internas que se producen en proceso de fraguado y/o endurecimiento de la pasta de cemento son superiores a la resistencia de la propia masa. Las retracciones pueden ser debidas a condiciones hidráulicas o a condiciones térmicas. Las de orden hidráulico son motivadas por composición mineralógica del cemento, como:      Alto contenido de silicato tricalcico Alto contenido de aluminato tricalcico Alto contenido de álcalis Fraguado y endurecimientos rápidos. Bajo contenido de yeso. Las de orden térmico se deben a:  Finura del cemento 26   Bajo poder de retención de agua por parte del cemento Alta dosificación del cemento Cuando las retracciones son grandes pueden producir fisuras; sin embargo, existen causas ajenas al cemento que producen fisuramiento, como:   Asentamiento o desplazamiento de la propia estructura. Deformaciones que experimenta el terreno de cimentación, por sobrecarga, debidas al medio ambiente, como son: la baja humedad relativa, altas temperaturas o vientos fuertes que producen desecación rápida del concreto fresco. 7 Fraguado del cemento Al mezclar el cemento con el agua, se forma una pasta en estado plástico, en el cual la pasta es trabajable y moldeable, después de un tiempo que depende de la composición química del cemento, la pasta adquiere rigidez; es conveniente distinguir entre el fraguado y el endurecimiento, pues este último se refiere a resistencia de una pasta fraguada. El tiempo que transcurre desde el momento que se agrega el agua, hasta que la pasta pierde viscosidad y eleva su temperatura se denomina “tiempo de fraguado inicial”, e indica que la pasta esta semidura y parcialmente hidratada. Posteriormente la pasta sigue endureciendo hasta que deja de ser deformable con cargas relativamente pequeñas, se vuelve rígida y llega al mínimo de temperatura; el tiempo trascurrido desde que se echa el agua hasta que llega al estado descrito anteriormente se denomina “tiempo de fraguado final”, e indica que el cemento se encuentra aun mas hidratado (no totalmente) y la pasta ya esta dura. A partir de este momento empieza el proceso de endurecimiento y la pasta ya fraguada va adquiriendo resistencia. La determinación de los tiempos de fraguado es arbitraria y da una idea del tiempo disponible para mezclar, trasportar, colocar, vibrar y apisonar los concretos y morteros de una obra así como el tiempo necesario para transitar sobre ellos y el tiempo para empezar el curado. La medida de los tiempos de fraguado se hace en el laboratorio siguiendo los métodos de la norma ICONTEC 109 mediante las agujas de Gillmore y la norma ICONTEC118 mediante el aparato de Vicat. 27 7.1 Falso Fraguado Con este nombre se conoce al endurecimiento prematuro y anormal del cemento, que se presenta dentro de los primeros minutos que sigue a la adición del agua y difiere del fraguado relámpago porque no presenta desprendimiento de calor; además, al volver a mezclar la pasta sin agregarle agua se restablece la plasticidad y fragua normalmente sin pérdida de resistencia. Este fenómeno se debe a las temperaturas altas (mayores de 100°C) en la molienda, que ocasionan deshidratación parcial o total del retardador que es el yeso. Si la operación de falso fraguado se presenta en la mezclada del concreto, se debe prolongar el tiempo de mezclado y no debe agregarse más agua, porque se altera la relación agua-cemento. Los Factores que más inciden en los Tiempos de Fraguado     7.2 Composición química del cemento Finura del cemento; entre más fino sea, es mayor la velocidad de hidratación. Mientras mayor sea la cantidad de agua de amasado, dentro de ciertos límites, mas rápido es el fraguado. A menor temperatura ambiente, las reacciones de hidratación son más lentas. Hidratación del Cemento El agua en el cemento hidratado se encuentra en tres formas: Una de ellas, la que esta químicamente combinada, es el agua de hidratación de los compuestos y forma parte de la composición molecular de ellos; otra es el agua que se encuentra en los capilares o poros y la otra es el agua del gel o agua absorbida. En el cemento portland el agua químicamente combinada después de la hidratación completa es aproximadamente un 25% y la superficie especifica pasa de 3000 a 2000000 cm2/gr. El incremento del área superficial por agua combinada es el gel, es una de las razones que permite explicar el incremento de resistencia. El valor máximo para el agua combinada teóricamente es del orden de 28, más o menos el 1% del peso del cemento. Este valor se reduce al combinarse a un 25% y el agua del gel representa un 15%. El agua capilar depende de la solución agua-cemento empleada. La velocidad de hidratación de los constituyentes del cemento aumenta con la temperatura; sin embargo, un tratamiento prolongado o excesivo de temperatura es perjudicial; no es conveniente pasar de 80°C. Los tratamientos térmicos se efectúan con vapor de agua o calor seco. Por el contrario la hidratación se retarda con la diminución de la temperatura. 28 La hidratación de los cementos siderúrgicos y de los puzolánicos produce los mismos compuestos que se forman en los cementos portland: La sílice de las puzolanas y las escorias reaccionan con la cal libre y forman silicatos. Las resistencias se alcanzan a edades tardías y a veces superiores a la de los cementos portland para las mismas edades. Las adiciones de puzolanas se emplean para disminuir el calor de hidratación específicamente cuando se trata de concretos masivos. El proceso de hidratación es un proceso exotérmico, que hace que los cementos al fraguar y endurecer aumenten de temperatura; cada compuesto del cemento al hidratarse libera una determinada cantidad de calor en determinado tiempo. El calor de hidratación se define como la cantidad de calor en calorías por gramo de cemento deshidratado, generado después de una hidratación completa a una temperatura dada. Reacciones de hidratación Las reacciones de hidratación, que forman el proceso de fraguado son: 2(3CaOSiO2) + (x+3)H2O → 3CaO2SiO2xH2O + 3Ca(OH)2 2(2CaOSiO2)+ (x+1)H2O → 3CaO2SiO2xH2O + Ca(OH)2 2(3CaOAl2O3)+ (x+8)H2O → 4CaOAl2O3xH2O + 2CaOAl2O38H2O 3CaOAl2O3 + 12H2O + Ca(OH)2 → 4CaOAl2O313H2O 4CaOAl2O3Fe2O3 + 7H2O → 3CaOAl2O36H2O + CaOFe2O3H2O Estas reacciones son todas exotérmicas. Es decir que generan calor que se desprende. Esta propiedad del cemento debe ser tomada en cuenta para la fabricación del hormigón, debido a que este calor desprendido produce fracturas en la pasta seca, denominadas fracturas o fisuras de retracción. 8 Tipos de cemento Se fabrican diferentes tipos de cemento portland, según las características físicas y químicas requeridas. La Sociedad "American Society for Testing and Materials" (ASTM), en su especificación C-150, prevé tipos diferentes de cemento portland. El cemento portland tipo 1 es un cemento normal destinado a obras de hormigón en general, al que no se le exigen propiedades específicas. El cemento portland tipo 1A es parecido al tipo 1 pero con inclusor de aire. El cemento portland tipo II es resistente a la acción moderada de sulfato y el desprendimiento de calor es menor que en los cementos normales. El cemento portland tipo IIA es igual que el tipo II pero con inclusor 29 de aire. El cemento portland tipo III alcanza alta resistencia inicial. Su composición química y física es parecida al del tipo 1 pero con una molienda más fina de sus partículas. El cemento portland tipo IV tiene un desprendimiento de calor más bajo. El desarrollo de resistencia de este tipo de cemento es muy lento en comparación con los otros tipos de cemento. Es el cemento ideal para obras de estructuras de tipo masivo, como por ejemplo grandes presas. El cemento portland tipo V tiene una resistencia muy alta a la acción de los sulfatos. Se usa en construcciones donde existe un alto ataque de sulfatos, principalmente donde el hormigón está expuesto a tierra y aguas subterráneas con un contenido alto de sulfatos. La norma ASTM C1157 establece los requisitos de durabilidad de los cementos hidráulicos e incluye los siguientes tipos: cemento hidráulico del tipo GU para usos generales de construcción, el cemento tipo HE de una temprana resistencia alta, el cemento del tipo MS con una resistencia moderada a los sulfatos, el cemento del tipo HS con una resistencia alta a los sulfatos, el cemento del tipo MH de moderado calor de hidratación, y el cemento del tipo LH de bajo calor de hidratación. Estos cementos también pueden ser designados para una reactividad baja (opción R) con agregados álcali-reactivos. 8.1 Tipo, nombre y aplicación I : Normal. Para uso general, donde no son requeridos otros tipos de cemento. IA : Normal. Uso general, con inclusor de aire. II : Moderado. Para uso general y además en construcciones donde existe un moderado ataque de sulfatos o se requiera un moderado calor de hidratación. IIA : Moderado. Igual que el tipo II, pero con inclusor de aire. III : Altas resistencias. Para uso donde se requieren altas resistencias a edades tempranas. IIIA : Altas resistencias. Mismo uso que el tipo III, con aire incluido. IV : Bajo calor de hidratación. Para uso donde se requiere un bajo calor de hidratación. V : Resistente a la acción de los sulfatos. Para uso general y además en construcciones donde existe un alto ataque de sulfatos. 30 Tipo I Este tipo de cemento es de uso general, y se emplea cuando no se requiere de propiedades y características especiales que lo protejan del ataque de factores agresivos como sulfatos, cloruros y temperaturas originadas por calor de hidratación. Entre los usos donde se emplea este tipo de cemento están: pisos, pavimentos, edificios, estructuras, elementos prefabricados. Tipo II El cemento Portland tipo II se utiliza cuando es necesario la protección contra el ataque moderado de sulfatos, como por ejemplo en las tuberías de drenaje, siempre y cuando las concentraciones de sulfatos sean ligeramente superiores a lo normal, pero sin llegar a ser severas (En caso de presentarse concentraciones mayores se recomienda el uso de cemento Tipo V, el cual es altamente resistente al ataque de los sulfatos). Genera normalmente menos calor que el cemento tipo I, y este requisito de moderado calor de hidratación puede especificarse a opción del comprador. En casos donde se especifican límites máximos para el calor de hidratación, puede emplearse en obras de gran volumen y particularmente en climas cálidos, en aplicaciones como muros de contención, pilas, presas, etc. La Norma ASTM C 150 establece como requisito opcional un máximo de 70 cal/g a siete días para este tipo de cemento. Tipo III Este tipo de cemento desarrolla altas resistencias a edades tempranas, a 3 y 7 días. Esta propiedad se obtiene al molerse el cemento más finamente durante el proceso de molienda. Su utilización se debe a necesidades específicas de la construcción, cuando es necesario retirar cimbras lo más pronto posible o cuando por requerimientos particulares, una obra tiene que ponerse en servicio muy rápidamente, como en el caso de carreteras y autopistas. Tipo IV El cemento Portland tipo IV se utiliza cuando por necesidades de la obra, se requiere que el calor generado por la hidratación sea mantenido a un mínimo. El desarrollo de resistencias de este tipo de cemento es muy lento en comparación con los otros tipos de cemento. Los usos y aplicaciones del cemento tipo IV están dirigidos a obras con estructuras de tipo masivo, como por ejemplo grandes 31 presas. La hidratación inicia en el momento en que el cemento entra en contacto con el agua; el endurecimiento de la mezcla da principio generalmente a las tres horas, y el desarrollo de la resistencia se logra a lo largo de los primeros 30 días, aunque éste continúa aumentando muy lentamente por un período mayor de tiempo. En la fabricación del cemento se utilizan normalmente calizas de diferentes tipos, arcillas, aditivos -como el mineral de fierro cuando es necesario- y en ocasiones materiales silicosos y aluminosos. Estos materiales son triturados y molidos finamente, para luego ser alimentados a un horno rotatorio a una temperatura de 1,400 grados centígrados y producir un material nodular de color verde oscuro denominado CLINKER. Tipo V El cemento Portland tipo V tiene una resistencia muy alta a la acción de los sulfatos. Se usa en construcciones donde existe un alto ataque de sulfatos, principalmente donde el hormigón está expuesto a tierra y aguas subterráneas con un contenido alto de sulfatos. 8.2 8.2.1 Cementos naturales Cemento Natural Lento Para la obtención del Cemento Natural Lento, se calcinan rocas calizas a una temperatura comprendida entre 1200º y 1400ºC. Es de color gris, con un contenido de Arcilla comprendido entre el 21% y el 25%. Inicia su fraguado transcurridos unos 30 minutos después de su aplicación, y acaba después de varias horas. El empleo del Cemento Natural Lento es cada vez más reducido, porque sus propiedades y características han sido superadas por los Cementos Artificiales. 8.2.2 Cemento Natural Rápido El Cemento Natural Rápido es un conglomerante de baja resistencia mecánica, resultante de la trituración, cocción y reducción a polvo de Margas Calizas. Por su alto contenido en Arcilla (del 26% al 40%), su aspecto y color es terroso, de color amarillento y rojizo. Comienza a fraguar entre 3 y 5 minutos después de amasado, y acaba antes de 50 minutos. Se utiliza en forma de pasta para usos similares a los del Yeso; por ser muy arcillosos no liberan Cal Hidratada durante el fraguado y endurecimiento, con lo cual son muy resistentes al Agua y estables en ambientes húmedos. 32 Con el Cemento Natural Rápido no se pueden fabricar Morteros y Hormigones, pues además de su escasa capacidad de aglomeración, la rapidez del fraguado no da tiempo de amasar. 8.3 Cementos Hidráulicos Mezclados Los cementos hidráulicos mezclados se fabrican mezclando íntimamente dos y más tipos de materiales cementosos. Los materiales primarios de mezcla son el cemento portland, escoria del alto horno granulado molido, ceniza volante, puzzolana natural y humo de sílice. Estos cementos se suelen usar de la misma manera que los cementos portland. La norma ASTM C595 reconoce cinco tipos de cementos mezclados: el tipo IS - cemento portland de escoria del alto horno, los tipos IP y P - cementos portland puzolana, el tipo S - cemento de escoria, el tipo I (PM) - cemento portland modificado con puzolana, y el tipo I (SM) - cemento portland modificado con escoria. A todos estos cementos también se les puede designar la inclusión de aire, la resistencia moderada a los sulfatos, o el calor moderado o bajo de hidratación. La norma ASTM C1157 de cementos hidráulicos mezclados incluye los siguientes cementos: el cemento hidráulico mezclado del tipo GU para usos generales de construcción, el tipo HE - cemento de alta resistencia temprana, el tipo MS cemento de resistencia moderada a los sulfatos, el tipo HS - cemento de alta resistencia a los sulfatos, el tipo MH - cemento de calor moderado de hidratación, y el tipo LH - cemento de calor bajo de hidratación. A todos estos cementos también se les puede designar una reactividad baja (opción R) con agregados álcali-reactivos. No existen restricciones para la composición de los cementos de la norma C1157. El fabricante puede optimizar los ingredientes, como las puzolanas y la escoria, para conseguir propiedades específicas del hormigón. Los cementos mezclados más comunes son los de los tipos IP e IS. Estados Unidos usan cantidades relativamente pequeñas de cementos mezclados, comparado con países europeos y asiáticos. Estos cementos han sido desarrollados debido al interés de la industria por la conservación de la energía y la economía en su producción. La norma ASTM C 595 reconoce la existencia de cinco tipos de cementos mezclados: Cemento Portland de escoria de alto horno - Tipo IS. Cemento Portland puzolana - Tipo IP y Tipo P. Cemento de escoria - Tipo S. Cemento Portland modificado con puzolana - Tipo I (PM). Cemento Portland modificado con escoria - Tipo I (SM). 33 Tipo IS El cemento Portland de escoria de alto horno se puede emplear en las construcciones de concreto en general. Para producir este tipo de cemento, la escoria del alto horno se muele junto con el clínker de cemento Portland, o puede también molerse en forma separada y luego mezclarse con el cemento. El contenido de escoria varía entre el 25 y el 70% en peso. Tipo IP y Tipo P El cemento Portland IP puede ser empleado en construcciones en general y el tipo P se utiliza en construcciones donde no sean necesarias resistencias altas a edades tempranas. El tipo P se utiliza normalmente en estructuras masivas, como estribos, presas y pilas de cimentación. El contenido de puzolana de estos cementos se sitúa entre el 15 y el 40 % en peso. Tipo S El cemento tipo S, de escoria, se usa comúnmente en donde se requieren resistencias inferiores. Este cemento se fabrica mediante cualquiera de los siguientes métodos: 1) Mezclando escoria molida de alto horno y cemento Portland. 2) Mezclando escoria molida y cal hidratada. 3) Mezclando escoria molida, cemento Portland y cal hidratada. El contenido mínimo de escoria es del 70% en peso del cemento de escoria Tipo I (PM) El cemento Portland tipo I (PM), modificado con puzolana, se emplea en todo tipo de construcciones de concreto. El cemento se fabrica combinando cemento Portland o cemento Portland de escoria de alto horno con puzolana fina. Esto se puede lograr: 1) Mezclando el cemento Portland con la puzolana 2) Mezclando el cemento Portland de escoria de alto horno con puzolana 3) Moliendo conjuntamente el clínker de cemento con la puzolana 4) Por medio de una combinación de molienda conjunta y de mezclado. 34 El contenido de puzolana es menor del 15% en peso del cemento terminado. Tipo I (SM) El cemento Portland modificado con escoria, TIPO I (SM), se puede emplear en todo tipo de construcciones de concreto. Se fabrica mediante cualquiera de los siguientes procesos: 1) Moliendo conjuntamente el clínker con alguna escoria granular de alto horno. 2) Mezclando escoria molida y cal hidratada 3) Mezclando escoria, cemento Portland y cal hidratada. El contenido máximo de escoria es del 25% del peso del cemento de escoria. A todos los cementos mezclados arriba mencionados, se les puede designar la inclusión de aire agregando el sufijo A, por ejemplo, cemento TIPO S-A. Además, en este tipo de cementos, la norma establece como requisito opcional para los cementos tipo I (SM), I (PM), IS, IP y los denominados con sufijo MS o MH lo siguiente: moderada resistencia a los sulfatos y/o moderado calor de hidratación y en caso del tipo P y PA, moderada resistencia a los sulfatos y/o bajo calor de hidratación. La Norma ASTM C 1157 establece los requisitos de durabilidad para los cementos hidráulicos cuando se utilicen en aplicaciones especiales o para uso general. Por ejemplo, donde se requieran altas resistencias tempranas, moderada a alta resistencia a los sulfatos, moderado o bajo calor de hidratación y opcionalmente baja reactividad con los agregados reactivos a los álcalis. Cementos Plásticos.- Los cementos plásticos se fabrican añadiendo agentes plastificantes, en una cantidad no mayor del 12% del volumen total, al cemento Portland de TIPO I ó II durante la operación de molienda. Estos cementos comúnmente son empleados para hacer morteros y aplanados. 8.4 Cementos Especiales Cementos para Pozos Petroleros Estos cementos, empleados para sellar pozos petroleros, normalmente están hechos de clínker de cemento Portland. Generalmente deben tener un fraguado lento y deben ser resistentes a temperaturas y presiones elevadas. El Instituto Americano del Petróleo (American Petroleum Institute) establece especificaciones (API 10-A) para nueve clases de cemento para pozos (clases A a la H). Cada clase resulta aplicable para su uso en un cierto rango de profundidades de pozo, 35 temperaturas, presiones y ambientes sulfatados. También se emplean tipos convencionales de cemento Portland con los aditivos adecuados para modificar el cemento. Cementos Portland Impermeabilizados El cemento Portland impermeabilizado usualmente se fabrica añadiendo una pequeña cantidad de aditivo repelente al agua como el estearato de sodio, de aluminio, u otros, al clínker de cemento durante la molienda final. Cemento Portland Blanco El cemento Portland blanco difiere del cemento Portland gris únicamente en el color. Se fabrica conforme a las especificaciones de la norma ASTM C 150, normalmente con respecto al tipo I ó tipo III; el proceso de manufactura, sin embargo, es controlado de tal manera que el producto terminado sea blanco. El cemento Portland blanco es fabricado con materias primas que contienen cantidades insignificantes de óxido de hierro y de manganeso, que son las sustancias que dan el color al cemento gris. El cemento blanco se utiliza para fines estructurales y para fines arquitectónicos, como muros precolados, aplanados, pintura de cemento, paneles para fachadas, pegamento para azulejos y como concreto decorativo. 8.5 Otros Tipos de Cementos Cementos de Albañilería Estos son cementos hidráulicos diseñados para emplearse en morteros, para construcciones de mampostería. Están compuestos por alguno de los siguientes: cemento Portland, cemento Portland puzolana, cemento Portland de escoria de alto horno, cemento de escoria, cal hidráulica y cemento natural. Además, normalmente contienen materiales como cal hidratada, caliza, Creta, talco o arcilla. La trabajabilidad, resistencia y color de los cementos de albañilería se mantienen a niveles uniformes gracias a los controles durante su manufactura. Aparte de ser empleados en morteros para trabajos de mampostería, pueden utilizarse para argamasas y aplanados, mas nunca se deben emplear para elaborar concreto. 36 Cementos Expansivos El cemento expansivo es un cemento hidráulico que se expande ligeramente durante el período de endurecimiento a edad temprana después del fraguado. Debe satisfacer los requisitos de la especificación ASTM C 845, en la cual se le designa como cemento tipo: E-1.- Comúnmente se reconocen tres variedades de cemento expansivo: E-1(K).- Contiene cemento Portland, trialuminosulfato tetracálcico anhídro, sulfato de calcio y óxido de calcio sin combinar. E-1(M).- contiene cemento Portland, cemento de aluminato de calcio y sulfato de calcio. E-1(S).- contiene cemento Portland con un contenido elevado de aluminato tricálcico y sulfato de calcio. 9 9.1 9.1.1 LA CALIDAD DEL CEMENTO CONTROL DE CALIDAD DEL CEMENTO Control químico Con el equipo de espectometría de rayos X automático se realiza el control de la mezcla cruda. En la composición química se necesita un control exacto, y su eficiencia y prontitud se ejecuta a cada hora, tomando muestras de las unidades de molienda en crudo, y modificándose las proporciones de caliza, pizarra, sílice y hematita según se requiera. Otro equipo comprueba la perfecta calcinación del polvo crudo. La calidad del clínker es evaluada por medio del análisis por rayos X; a partir de su composición química son calculados sus compuestos potenciales, como los silicatos y los aluminatos de calcio. En el caso de los silicatos se efectúa una prueba por turno, es decir, cada ocho horas. 37 9.1.2 Control físico Cada 24 horas se realizan las pruebas para determinar la resistencia a la compresión, el fraguado inicial y final, así como la sanidad. La llamada prueba Blaine, que mide la finura del cemento, se obtiene cada hora, con muestras de la planta. La unidad de medida es cm2/ gr, que nos permite saber la superficie que ocupa un gramo de polvo. Hay cementos, que llegan a alcanzar finuras de 3,500 a 4,000 cm2/gr. Otros procesos para el control son a base de tamices que miden el grado de finura. Las prensas determinan la resistencia a la compresión: balanzas, parrillas donde se secan las pruebas que se tamizan en vía húmeda; para la determinación del carbonato de calcio se usan reactivos. En la elaboración de series patrón estándar se utiliza la prueba de absorción atómica. Para determinar la distribución del tamaño de las partículas de cemento se utiliza el equipo de sedigraph, que define el punto de partida para dar las condiciones de operación de las unidades de molienda. 9.2 Ensayo de Compresión del Mortero de Cemento Las propiedades mecánicas del cemento son factores determinantes en el comportamiento del hormigón; por lo que llevar un adecuado control de calidad del cemento como materia prima, además de las diferentes componentes constitutivas del hormigón (agua, arena y ripio). La calidad del cemento esta verificada principalmente por cuatro factores: la densidad específica, la consistencia normal, el tiempo de fraguado, y el factor de resistencia que desarrolla una probeta de cemento en condiciones estándares. Este último control de calidad se realiza en probetas conformadas por cemento y arena de Ottawa, este tipo de arena es especial debido a su forma redondeada y excelente granulometría. Para conformar este micro hormigón se utiliza la cantidad de agua especificada en la norma ASTM, equivalente a la consistencia normal especificada por los fabricantes de determinado cemento. Con esta mezcla se realizan probetas de 5cm por lado, las cuales deben colocarse en la cámara de humedad durante 1 día, y posteriormente se los debe sumergir en agua con cal. La resistencia a la compresión de estas probetas debe ser verificada a los 3, 7 y 28 días. La utilidad de este ensayo de comprobación es verificar las propiedades mecánicas del cemento, ya que las fallas que se producen en el hormigón terminado se deben en la mayoría de los casos por la faltas de calidad del cemento, en este ensayo se analiza el endurecimiento del hormigón a largo plazo, si existen fallas de esta manera se procede a analizar la finura del cemento (proceso complejo), para determinar un posible foco de falla. Si estos ensayos no determinan cual es el productor de la falla en el cemento se deben realizar un análisis químico de los componentes del cemento. Además se pueden presentar factores externos que influyen en la resistencia del 38 mortero de cemento como la humedad natural, la temperatura, los cuales deben ser controlados para la verificación de la resistencia. 9.3 Ensayo de Determinación de la densidad absoluta, de consistencia normal y de tiempo de fraguado del Cemento Hidráulico Realizar un análisis para verificar la calidad del cemento es complicado, ya que solamente se lo puede realizar a través de sus propiedades químicas, pero se han ideado métodos en los que verificando ciertas características físicas y mecánicas del mismo, se puede determinar el grado de calidad de los materiales. Estos ensayos que analizan las propiedades físico-mecánicas del cemento, nos dan señales de irregularidades; pero no nos indican con claridad cuál es el error en la fabricación del cemento. Estos ensayos son los siguientes: Determinación de la densidad absoluta del cemento (con el picnómetro y el frasco Le Chatellier), Ensayo de consistencia normal (agujas Vicat) y Tiempo de fraguado (agujas Vicat y Guillmore). Los datos obtenidos en estos ensayos, deben ser comparados con los dados por las diferentes procesadoras de cemento, para verificar la calidad. 10 APLICACIONES DEL CEMENTO Las características especiales de cada cemento, tipo y clase resistente, lo hacen más o menos indicado para los diferentes tipos de obras o, más específicamente, para los requerimientos de cada clase de hormigón. A título orientativo, la tabla siguiente da unas indicaciones generales sobre el grado de idoneidad de cada cemento para cada uso primario o clase de hormigón. Para un conocimiento más exacto de las aplicaciones, y para conocer la idoneidad de cada cemento para cada tipo de obra (cimentaciones, pavimentos, estructuras, obras marítimas, etc.) 39 ESP VI-1 Solamente utilizables, en uno u otro grado, en grandes masas de hormigón. /SR o /MR Utilizables en uno u otro grado, según tipo y categoría, en cualquier hormigón o elemento estructural que deba resistir ataques de sulfatos (SR) o de agua de mar (MR). /BC Utilizables en uno u otro grado, según tipo y categoría, en hormigones en masa o armados que requieran un bajo calor de hidratación. CAC/R Utilizables en uno u otro grado en: - hormigones y morteros refractarios - hormigones en masa y morteros en medios agresivos por sulfatos, agua de mar o aguas levemente ácidas. No utilizables en hormigón pretensado y elementos estructurales prefabricados pretensados. 40 10.1 Aplicaciones más usuales En la vivienda El cemento es un material muy útil en la construcción y a la vez insustituible para muchos trabajos • • Mezclándolo con arena muy fina y agua se le emplea para aplicación de lechada en las cubiertas de los techos construidos con ladrillo. Revuelto con arena y agua se utiliza como mortero para pegar el tabique, block o tabicón, y en cimentaciones, para unir la piedra. También para el aplanado de los muros, tanto interiores como exteriores. Al mezclarlo con arena, grava y agua se obtiene el concreto. El mortero se utiliza en: • • • • • • • Cimientos de mampostería de piedra Construcción de muros de ladrillos de barro y cemento Registros Bóvedas de tabique Revestimientos Pisos Colocación de mosaicos y azulejos 41 • • • Lechadas Piezas de construcción Tubería de drenaje Entre los numerosos usos del cemento en la vivienda están: • • • • • • Pegar (juntear) la piedra, ya sea en cimentación o en muro. Unión con mortero, las piezas para levantar muros (tabique, tabicón, block, etc.). Aplanar muros y plafones con mortero (repellados, finos, serroteado rústico, etc.). Lechadear las cubiertas Fabricar block, también, mosaico, tubos de albañil, etc. Elaborar el concreto para losas, trabes, cimientos, etc. Otros usos Pero no sólo se le utiliza en la vivienda, sino también para construir caminos, aeropuertos, puentes, fábricas, etc. Además, la construcción de plantas de tratamiento de aguas residuales, drenajes y acueductos se hace con este producto. El cemento es un excelente estabilizante de residuos tanto municipales como industriales, que deben ser tratados antes de ir a rellenos sanitarios. La industria del cemento puede colaborar también para mejorar el ambiente. Su mejor aporte en este sentido consiste en la utilización de los hornos de fabricación de clínker para eliminar de una manera segura y definitiva una gran cantidad de residuos. Los hornos tienen la característica de aceptar como combustible muchos subproductos que tienen energía térmica (generan calor), municipales, llantas, plásticos, finos de coque, residuos hospitalarios, aserrín y viruta de madera, residuos de coco, subproductos de la industria química, cáscara de arroz, etcétera. 10.2 Detalles 10.2.1 HORMIGÓN Es el producto resultante de la mezcla de un Aglomerante; Arena, Grava o Piedra Machacada (denominados áridos) y Agua. Antiguamente se empleó en Asia y en Egipto. En Grecia existieron acueductos y depósitos de agua hechos con este material, cuyos vestigios aún se conservan. Los romanos lo emplearon en sus grandes obras públicas, como el puerto de Nápoles, y lo extendieron por todo su imperio. Antes del descubrimiento de los Cementos se emplearon como Aglomerantes la Cal Grasa, la Cal Hidráulica, y los Cementos Naturales. Desde mediados del S.XIX comenzó a utilizarse en obras 42 marítimas, y a finales del mismo, asociado con el hierro en forma de Hormigón Armado, en puentes y depósitos, habiéndose extendido su empleo tanto en obras públicas como privadas. Es un material de bajo precio respecto al Acero, de resistencia similar o mayor a la del Ladrillo, que brinda la posibilidad de construir elementos de casi cualquier forma. También es buen aislante acústico y resistente al fuego. La consistencia o fluidez del Hormigón dependerá del contenido de agua de la mezcla. La plasticidad dependerá del contenido de Áridos finos de diámetro inferior a 0,1 mm., haciendo más fácil la colocación en obra. 10.2.2 Revestimientos de Cemento Los Revestimientos de Cemento solucionan la impermeabilidad y mejoran el aspecto y los acabados de una obra. Están destinadas a recubrir superficies a las que quiera darse apariencia de sillería o piedra natural. Se fabrican con Mortero y piedras o áridos de los materiales que se quiera reproducir. 43 Poseen dos capas: La cara vista, de espesor reducido, y formada por Cemento Blanco, Gravilla, Agua y colorantes. El cuerpo de la pieza, formado por Cemento Portland y Arena gruesa. 11 La industria del Cemento en el Ecuador La industria del cemento en Ecuador se inicia en el año 1923 cuando la empresa Industrias y Construcciones, instaló la primera planta en la ciudad de Guayaquil, con una producción de 3.000 toneladas/año. En el país, cuatro empresas fabrican cemento, dos privadas y dos que pertenecen a instituciones del estado. Una de las empresas HOLCIM Ecuador, dispone de dos plantas, una de las cuales, San Rafael es únicamente de molienda. Las empresas de cemento se indican en el cuadro siguiente: La industria nacional suministra el 100% del cemento gris que se consume en el país, siendo el cemento Portland IP, que se elabora bajo la Norma INEN 490 (ASTM C 595) el de mayor comercialización, cementos puros tipo I y II así como por desempeño HE se los puede obtener bajo pedido, cemento blanco y especiales se importan. 44 45 12 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES La enorme importancia del cemento en nuestros días queda constatada por el hecho de ser el material que más se produce en el mundo, con cerca de 1800 millones de toneladas al año. El crecimiento en el consumo de cemento está directamente relacionado con el aumento de la población mundial y con el desarrollo de los países (obras de ingeniería civil, infraestructuras, etc.). Se puede pensar que, al menos a corto plazo, el hormigón y el mortero seguirán siendo los medios más barato de construir, y su consumo no cesará de aumentar proporcionalmente al crecimiento de la población y al desarrollo, con lo que el cemento que es el componente activo de aquellos también lo hará. Es recomendado para utilizarse en cualquier tipo de obra, en la construcción de estructuras y en la fabricación de productos de concreto, lográndose excelentes resultados. Se recomienda especialmente para: Características En pruebas como cemento, las resistencias mínimas son: A 3 días20 N/mm2 (204 kg/cm2) y a 28 días 30 N/mm2 (306 kg/cm2) Los tiempos de fraguado son: inicial 45 minutos (mínimo) final 600 minutos (máximo)  Los valores mencionados garantizan el desempeño del cemento al elaborar concreto. La característica química más importante es que al sumergir en agua durante 14 días las barras elaboradas con este cemento, no presentan expansión mayor a 0,020% 46 13 Bibliografía  “Curado del concreto” - Autor: Carrier, Roger y Danforth Richard  “Suelo - Cemento” sus usos propiedades y aplicaciones. - Autor: De la Fuente L.E.          FICEM (Federación Interamericana del cemento) - http://www.ficem.org/ Instituto Ecuatoriano de Normalización (INEN) Inecyc (Instituto Ecuatoriano del Cemento y del Hormigón) - http://www.inecyc.org.ec/ http://www.lafarge.com.ec/ http://www.holcim.com.ec/ http://www.cementochimborazo.com/ http://www.ieca.es/reportajeT.asp?id_rep=6 http://www.arquba.com/monografias-de-arquitectura/concreto-2/ http://www.catalcement.eudata.be/epub/easnet.dll/execreq/page?eas:dat_im=001BFD&eas:t emplate_im=001BFD   http://es.scribd.com/doc/66742368/1/Importancia-del-cemento-Producciones-Mundial http://icc.ucv.cl/hormigon/apuntes.htm 47