1. Republica Bolivariana de Venezuela
Ministerios del poder popular para la Educación Universitaria
I.U.P «Santiago Mariño»
El cemento y tipos de cemento
Bachiller.
Bravo Onliver
C.I 25045307
Prof.
Mary lujano
2. El cemento
El cemento es un conglomerante formado a partir de una
mezcla de caliza y arcilla calcinadas y posteriormente molidas, que
tiene la propiedad de endurecerse al contacto con el agua. Hasta
este punto la molienda entre estas rocas es llamada clinker, esta
se convierte en cemento cuando se le agrega yeso, este le da la
propiedad a esta mezcla para que pueda fraguar y endurecerse.
Mezclado con agregados pétreos (grava y arena) y agua, crea una
mezcla uniforme, maleable y plástica que fragua y se endurece,
adquiriendo consistencia pétrea, denominada hormigón (en
España, parte de Suramérica y el Caribe hispano) o concreto (en
México, Centroamérica y parte de Suramérica). Su uso está muy
generalizado en construcción e ingeniería civil.
3. Historia del cemento
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. Los
cementos se emplean para producir morteros y hormigones cuando
se mezclan con agua y áridos, naturales o artificiales, obteniéndose
con ellos elementos constructivos prefabricados o construidos "in
situ".
4. 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".
5. 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 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.
6. Tipos de cemento
Se pueden establecer dos tipos básicos de cemento:
de origen arcilloso: obtenidos a partir de arcilla y piedra caliza en
proporción 1 a 4 aproximadamente;
de origen puzolánico: la puzolana del cemento puede ser de origen
orgánico o volcánico
elemento, diferentes por su composición, por sus propiedades de
resistencia y durabilidad, y por lo tanto por sus destinos y usos.
Desde el punto de vista químico se trata en general de una mezcla de
silicatos y aluminatos de calcio, obtenidos a través del cocido de calcáreo,
arcilla y arena. El material obtenido, molido muy finamente, una vez que
se mezcla con agua se hidrata y solidifica progresivamente. Puesto que la
composición química de los cementos es compleja, se utilizan
terminologías específicas para definir las composiciones.
7. El cemento portland
El poso de cemento más utilizado como aglomerante para la
preparación del hormigón es el cemento portland, producto que se
obtiene por la pulverización del clinker portland con la adición de una o
más formas de yeso (sulfato de calcio). Se admite la adición de otros
productos siempre que su inclusión no afecte las propiedades del
cemento resultante. Todos los productos adicionales deben ser
pulverizados conjuntamente con el clinker. Cuando el cemento portland
es mezclado con el agua, se obtiene un producto de características
plásticas con propiedades adherentes que solidifica en algunas horas y
endurece progresivamente durante un período de varias semanas
hasta adquirir su resistencia característica. El proceso de solidificación
se debe a un proceso químico llamado hidratación mineral.
Con el agregado de materiales particulares al cemento (calcáreo o cal)
se obtiene el cemento plástico, que fragua más rápidamente y es más
fácilmente trabajable. Este material es usado en particular para el
revestimiento externo de edificios.
8. Cementos portland especiales
• Los cementos portland especiales son los
cementos que se obtienen de la misma forma que
el portland, pero que tienen características
diferentes a causa de variaciones en el porcentaje
de los componentes que lo forman.
• Portland férrico
El portland férrico está caracterizado por un módulo de fundentes de 0,64. Esto
significa que este cemento es muy rico en hierro. En efecto se obtiene introduciendo
cenizas de pirita o minerales de hierro en polvo. Este tipo de composición comporta
por lo tanto, además de una mayor presencia de Fe2O3(óxido ferroso), una menor
presencia de 3CaOAl2O3 cuya hidratación es la que desarrolla más calor. Por este
motivo estos cementos son particularmente apropiados para ser utilizados en climas
cálidos. Los mejores cementos férricos son los que tienen un módulo calcáreo bajo,
en efecto estos contienen una menor cantidad de 3CaOSiO2, cuya hidratación
produce la mayor cantidad de cal libre (Ca(OH)2). Puesto que la cal libre es el
componente mayormente atacable por las aguas agresivas, estos cementos,
conteniendo una menor cantidad, son más resistentes a las aguas agresivas que el
plástico.
9. Cemento blanco
Contrariamente férricos, los cementos blancos tienen un módulo de fundentes
muy alto, aproximadamente 10. Estos contienen por lo tanto un porcentaje
bajísimo de Fe2O3. EI color blanco es debido a la falta del hierro que le da
una tonalidad grisácea al Portland normal y un gris más oscuro al cemento
férrico. La reducción del Fe2O3 es compensada con el agregado de fluorita
(CaF2) y de criolita (Na3AlF6), necesarios en la fase de fabricación en el
horno. Para bajar la calidad del tipo de cemento que hoy en día hay 4: que
son tipo I 52,5, tipo II 52,5, tipo II 42,5 y tipo II 32,5; También llamado pavi) se
le suele añadir una cantidad extra de caliza que se le llama clinkerita para
rebajar el tipo, ya que normalmente el clinker molido con yeso sería tipo I
10. Cemento puzolánico
Se denomina puzolana a una fina ceniza volcánica que se extiende principalmente
en la región del Lazio y la Campania, su nombre deriva de la localidad de Pozzuoli,
en las proximidades de Nápoles, en las faldas del Vesubio. Posteriormente se ha
generalizado a las cenizas volcánicas en otros lugares. Ya Vitruvio describía cuatro
tipos de puzolana: negra, blanca, gris y roja.
Mezclada con cal (en la relación de 2 a 1) se comporta como el cemento
puzolánico, y permite la preparación de una buena mezcla en grado de fraguar
incluso bajo agua.
Esta propiedad permite el empleo innovador del hormigón, como ya habían
entendido los romanos: El antiguo puerto de Cosa (puerto) fue construido con
puzolana mezclada con cal apenas antes de su uso y colada bajo agua,
probablemente utilizando un tubo, para depositarla en el fondo sin que se diluya en
el agua de mar. Los tres muelles son visibles todavía, con la parte sumergida en
buenas condiciones después de 2100 años.
11. La puzolana es una piedra de naturaleza ácida, muy reactiva, al ser muy porosa
y puede obtenerse a bajo precio. Un cemento puzolánico contiene
aproximadamente:
55-70 % de clinker Portland
30-45 % de puzolana
2-4 % de yeso
Puesto que la puzolana se combina con la cal (Ca(OH)2), se tendrá una menor
cantidad de esta última. Pero justamente porque la cal es el componente que es
atacado por las aguas agresivas, el cemento puzolánico será más resistente al
ataque de éstas. Por otro lado, como el 3CaOAl2O3 está presente solamente en
el componente constituido por el clinker Portland, la colada de cemento
puzolánico desarrollará un menor calor de reacción durante el fraguado. Este
cemento es por lo tanto adecuado para ser usado en climas particularmente
calurosos o para coladas de grandes dimensiones.
Se usa principalmente en elementos en las que se necesita alta
impermeabilidad y durabilidad.
12. Cemento siderúrgico
La puzolana ha sido sustituida en muchos casos por la ceniza de carbón
proveniente de las centrales termoeléctricas, escoria de fundiciones o residuos
obtenidos calentando el cuarzo. Estos componentes son introducidos entre el
35 hasta el 80 %. El porcentaje de estos materiales puede ser particularmente
elevado, siendo que se origina a partir de silicatos, es un material
potencialmente hidráulico. Ésta debe sin embargo ser activada en un
ambiente alcalino, es decir en presencia de iones OH-. Es por este motivo que
debe estar presente por lo menos un 20 % de cemento Portland normal. Por
los mismos motivos que el cemento puzolánico, el cemento siderúrgico tiene
mala resistencia a las aguas agresivas y desarrolla más calor durante el
fraguado. Otra característica de estos cementos es su elevada alcalinidad
natural, que lo rinde particularmente resistente a la corrosión atmosférica
causada por los sulfatos.
Tiene alta resistencia química, de ácidos y sulfatos, y una alta temperatura al
fraguar.
13. Cemento de fraguado rápido
El cemento de fraguado rápido, también conocido como "cemento romano ó
prompt natural", se caracteriza por iniciar el fraguado a los pocos minutos de
su preparación con agua. Se produce en forma similar al cemento Portland,
pero con el horno a una temperatura menor (1.000 a 1.200 °C).1 Es
apropiado para trabajos menores, de fijaciones y reparaciones, no es
apropiado para grandes obras porque no se dispondría del tiempo para
efectuar una buena aplicación. Aunque se puede iniciar el fraguado
controlado mediante retardantes naturales (E-330) como el ácido cítrico, pero
aun así si inicia el fraguado aproximadamente a los 15 minutos (a 20 °C). La
ventaja es que al pasar aproximadamente 180 minutos de iniciado del
fraguado, se consigue una resistencia muy alta a la compresión (entre 8 a 10
MPa), por lo que se obtiene gran prestación para trabajos de intervención
rápida y definitivos. Hay cementos rápidos que pasados 10 años, obtienen
una resistencia a la compresión superior a la de algunos hormigones
armados (mayor a 60 MPa).
14. Cemento aluminoso
El cemento aluminoso se produce principalmente a partir de la bauxita con
impurezas de óxido de hierro (Fe2O3), óxido de titanio (TiO2) y óxido de
silicio (SiO2). Adicionalmente se agrega óxido de calcio o bien carbonato de
calcio. El cemento aluminoso también recibe el nombre de «cemento
fundido», pues la temperatura del horno alcanza hasta los 1.600 °C, con lo
que se alcanza la fusión de los componentes. El cemento fundido es colado
en moldes para formar lingotes que serán enfriados y finalmente molidos
para obtener el producto final.
El cemento aluminoso tiene la siguiente composición de óxidos:
35-40 % óxido de calcio
40-50 % óxido de aluminio
5 % óxido de silicio
5-10 % óxido de hierro
1 % óxido de titanio
15. Reacciones de hidratación
CaOAl2O3+10H2O → CaOAl2O310H2O (cristales hexagonales)
2(CaOAl2O3)+11H2O → 2CaOAl2O38H2O + Al(OH)3 (cristales + gel)
2(2CaOSiO2)+ (x+1)H2O → 3CaO2SiO2xH2O + Ca(0H)2 (cristales + gel)
Mientras el cemento portland es un cemento de naturaleza básica, gracias a
la presencia de soretes cal Ca(OH)2, el cemento aluminoso es de naturaleza
sustancialmente neutra. La presencia del hidróxido de aluminio Al(OH)3, que
en este caso se comporta como ácido, provocando la neutralización de los
dos componentes y dando como resultado un cemento neutro.
El cemento aluminoso debe utilizarse en climas fríos, con temperaturas
inferiores a los 30 °C. En efecto, si la temperatura fuera superior, la segunda
reacción de hidratación cambiaría y se tendría la formación de
3CaOAl2O36H2O (cristales cúbicos) y una mayor producción de Al(OH)3, lo
que llevaría a un aumento del volumen y podría causar fisuras.
16. Propiedades generales del cemento
Buena resistencia al ataque químico.
Resistencia a temperaturas elevadas. Refractario.
Resistencia inicial elevada que disminuye con el tiempo.
Se ha de evitar el uso de armaduras. Con el tiempo aumenta la porosidad.
Uso apropiado para bajas temperaturas por ser muy exotérmico.
Está prohibido el uso de cemento aluminoso en hormigón pretensado. La vida
útil de las estructuras de hormigón armado es más corta.
El fenómeno de conversión (aumento de la porosidad y caída de la resistencia)
puede tardar en aparecer en condiciones de temperatura y humedad baja.
El proyectista debe considerar como valor de cálculo, no la resistencia máxima
sino, el valor residual, después de la conversión, y no será mayor de 40 N/mm2.
Se recomienda relaciones A/C ≤ 0,4, alta cantidad de cemento y aumentar los
recubrimientos (debido al pH más bajo).
17. Proceso de fabricación
El proceso de fabricación del cemento comprende cuatro etapas principales:
Extracción y molienda de la materia prima
Homogeneización de la materia prima
Producción del Clinker
Molienda de cemento
La materia prima para la elaboración del cemento (caliza, arcilla, arena, mineral de
hierro y yeso) se extrae de canteras o minas y, dependiendo de la dureza y
ubicación del material, se aplican ciertos sistemas de explotación y equipos. Una
vez extraída la materia prima es reducida a tamaños que puedan ser procesados
por los molinos de crudo.
18. La etapa de homogeneización puede ser por vía húmeda o por vía
seca, dependiendo de si se usan corrientes de aire o agua para
mezclar los materiales. En el proceso húmedo la mezcla de materia
prima es bombeada a balsas de homogeneización y de allí hasta los
hornos en donde se produce el clínker a temperaturas superiores a
los 1500 °C. En el proceso seco, la materia prima es homogeneizada
en patios de materia prima con el uso de maquinarias especiales. En
este proceso el control químico es más eficiente y el consumo de
energía es menor, ya que al no tener que eliminar el agua añadida
con el objeto de mezclar los materiales, los hornos son más cortos y
el clínker requiere menos tiempo sometido a las altas temperaturas.
El clínker obtenido, independientemente del proceso utilizado en la
etapa de homogeneización, es luego molido con pequeñas
cantidades de yeso para finalmente obtener cemento.
19. Reacción de las partículas de cemento con el agua
Periodo inicial: las partículas con el agua se encuentran en estado de disolución,
existiendo una intensa reacción exotérmica inicial. Dura aproximadamente diez minutos.
Periodo durmiente: en las partículas se produce una película gelatinosa, la cual inhibe la
hidratación del material durante una hora aproximadamente.
Inicio de rigidez: al continuar la hidratación de las partículas de cemento, la película
gelatinosa comienza a crecer, generando puntos de contacto entre las partículas, las
cuales en conjunto inmovilizan la masa de cemento. También se le llama fraguado. Por lo
tanto, el fraguado sería el aumento de la viscosidad de una mezcla de cemento con agua.
Ganancia de resistencia: al continuar la hidratación de las partículas de cemento, y en
presencia de cristales de CaOH2, la película gelatinosa (la cual está saturada en este
punto) desarrolla unos filamentos tubulares llamados «agujas fusiformes», que al aumentar
en número generan una trama que aumenta la resistencia mecánica entre los granos de
cemento ya hidratados.
Fraguado y endurecimiento: el principio de fraguado es el tiempo de una pasta de
cemento de difícil moldeado y de alta viscosidad. Luego la pasta se endurece y se
transforma en un sólido resistente que no puede ser deformado. El tiempo en el que
alcanza este estado se llama «final de fraguado».
