El Cemento: Composición, Propiedades y Ensayos, Apuntes de Materiales

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MATERIALES DE CONSTRUCCION PRIMER BLOQUE

El hombre, los materiales y la ingeniería han evolucionado en el transcurso del tiempo y continúan haciéndolo.

A través de la historia, el progreso ha dependido de las mejoras de los materiales con los que se trabaja.

El trabajo del hombre prehistórico estaba limitado a los materiales disponibles en la naturaleza como la piedra, madera, huesos y pieles.

Con el transcurso del tiempo, pasaron de la Edad de Piedra a las nuevas edades de cobre (bronce) y de hierro.

De acuerdo con el diccionario Webster, los materiales son sustancias con las que algo está compuesto o hecho.

Ya que los materiales son necesarios para fabricar productos, los ingenieros deben conocer la estructura interna y las propiedades de los materiales y elegir los más adecuados en cada aplicación.

ELEMENTOS M Á S COMUNES EN LA CORTEZA TERRESTRE Y ATM Ó SFERA POR PORCENTAJE DE PESO Y VOLUMEN

CONSTRUCCIÓN:

Construcción, conjunto de procedimientos llevados a cabo para levantar diversos tipos de estructuras

Construcción es el arte o técnica de fabricar edificios e infraestructuras.

Aquello que exige, antes de hacerse, disponer de un proyecto y una planificación predeterminada.

T É CNICAS DE CONSTRUCCI Ó N

Conjunto de sistemas de trabajo, herramientas, equipos y mano de obra necesarios, para la construcción de las distintas partes constituyentes de una obra,

Se basa en:

Mejor aprovechamiento de las propiedades de los materiales

En la economía o ahorro de los materiales

Uso de las herramientas y equipos adecuados,

Eficiencia y productividad de la mano de obra y en la mayor rapidez de ejecución

DESARROLLO DE LAS T É CNICAS DE CONSTRUCCI Ó N

Las técnicas han estado íntimamente ligadas al desarrollo del conocimiento humano.

Según fue desarrollando y descubriendo las formas de aprovechamiento de los elementos que la naturaleza le brindaba fue creando técnicas o formas de usos de las mismas.

MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN

Son todos los elementos o cuerpos que integran las obras de construcción, cualquiera que sea su naturaleza, composición y forma, de tal manera que cumplan con los requisitos mínimos para tal fin.

EVOLUCIÓN DE LOS MATERIALES

Desde el comienzo de la civilización, los materiales y la energía han sido utilizados por el hombre para mejorar su condición.

Los materiales han hecho posible el avance de la humanidad desde sus orígenes.

Las eras de la humanidad se han nombrado de acuerdo al material dominante a la fecha: la edad de piedra, la edad de cobre, la edad de bronce, la edad de hierro.

HISTORIA: EDAD DE PIEDRA: Hace 300 mil o más años, las piedras se transformaban en herramientas de pedernal y de cuarzo que se podían astillar para producir filos cortantes.

Se construían estructuras simples pero durables, a partir de materiales presentes en la naturaleza: roca y ladrillos de barro para muros, madera para vigas y pieles de animales para la protección contra el medio ambiente.

EDAD DE COBRE: Alrededor de 4000 A.C. se desarrollaron tecnologías para fundir y moldear cobre, permitiendo formas intrincadas. Hacia el 3500 A.C. se desarrollaron hornos de fundición.

Aparecen los primeros objetos metalúrgicos realizados con cobre.

Hay signos de fortificaciones alrededor de poblados

EDAD DE BRONCE: Accidentalmente se pudo haber mezclado estaño con cobre produciendo aleación de bronce ( A.C.). El estaño brinda al bronce dureza, permitiendo la producción de armas y herramientas muy superiores.

Se generaliza el uso de fortificaciones en los poblados, comienzo de la escritura.

LA EDAD DE HIERRO: Alrededor de 1450 A.C. se descubrió método para reducir óxidos ferrosos y producir hierro, un material con mayor rigidez, resistencia y dureza que cualquier otro entonces disponible.

Se desarrollan grandes civilizaciones, surge la cultura griega y hay un gran crecimiento demográfico.

El hierro revolucionó la guerra y la agricultura, pero el material era una masa esponjosa de hierro sólido mezclado con escoria.

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES: Metálicos, Cerámicos, Poliméricos y Compuestos.

Materiales metálicos: Sustancias inorgánicas compuestas de uno o más elementos metálicos, pudiendo contener algunos elementos no metálicos, como el carbono.

Clasificados en:

Ferrosos: hierros colados y aceros

No ferrosos: cobre, aluminio, magnesio, níquel, titanio y sus aleaciones y superaleaciones.

Materiales Cerámicos : Son compuestos inorgánicos no metálicos, en su mayoría óxidos, aunque también se emplean carburos, nitruros, boruros y siliciuros.

Siempre compuestos de más de un elemento (Ej.: AL2O3, NaCl, SiC, SiO2).

Usualmente compuestos de elementos metálicos y no metálicos.

Presentan escasa conductividad tanto eléctrica como térmica.

Presentan buena resistencia y dureza pero poca ductilidad y resistencia al impacto.

Los Materiales Cerámico se clasifican en:

 Cerámicas Estructurales (Soportan cargas a elevadas temperaturas)  Cerámicas Refractarias (resistentes a la corrosión, aislantes)  Cerámicas tradicionales (ej. porcelanas)  Vidrios  Cerámicas Eléctricas (capacitores, aislantes, transductores, etc.)  Cerámicas químicamente adheridas (ej. cemento y concreto)

Materiales Poliméricos: Moléculas gigantes constituidas por cientos o miles de moléculas sencillas llamadas meros, unidas entre si por enlaces químicos de tipo covalente

La madera y El caucho, primeros polímeros usados en la construcción.

ESTRUCTURA ATÓMICA Y ENLACE QUÍMICO

QUÉ PROBLEMAS IMPACTAN LA SECCIÓN DE LOS MATERIALES Y EL DISEÑO?

La respuesta radica en el conocimiento de las propiedades físicas, químicas y mecánicas de los materiales en función de algunos parámetros como:

Resistencia- Funcionalidad- Ductilidad- Durabilidad- Biodegradabilidad- Dureza

NATURALEZA INTÉNSECA DE LOS MATERIALES

Finalmente, las propiedades de los materiales están determinadas por los tipos de átomos presentes, su orientación relativa y la naturaleza del enlace entre estos:

EL ÁTOMO

Cada uno de los objetos que pueden verse alrededor ocupa un espacio y pueden medirse. Estos objetos reciben el nombre de materia, que se define como todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa.

Los átomos son la unidad estructural básica de todos los materiales de ingeniería

TEORÍA ATÓMICA

El átomo está formado por un núcleo con protones y neutrones y por varios electrones en sus orbitales, cuyo número varía según el elemento químico.

Núcleo: Protones – Neutrones Corteza: Electrones

ESTRUCTURA DE LOS ÁTOMOS

Núcleo: Constituye casi toda la masa del átomo y contiene protones y neutrones

Potrón: Tiene una masa de 1.673 × 10−24 g y una carga unitaria de +1.602 × 10−19 (C).

Electrón: Tiene una masa relativamente pequeña de 9.109 × 10−28 g y una carga unitaria de −1.602 × 10−19 (C)

NÚMERO ATÓMICO

Indica el número de protones que están en su núcleo. Es también igual al número de electrones de su nube de carga.

Cada elemento tiene su propio número atómico característico y, de este modo, el número atómico define al elemento.

Los números atómicos de los elementos desde el hidrógeno (1) hasta el hahnio (105), se ubican encima de los símbolos atómicos de los elementos en la tabla periódica.

NÚMERO MÁSICO

El número másico, A, de un átomo es el número de nucleones que contiene su núcleo, es decir, la suma de los protones y neutrones que lo forman.

Si designamos como N el número de neutrones, resulta el siguiente valor para el número másico:

A=Z+N

Así, el núcleo de los átomos de un elemento químico está compuesto por un número fijo de protones y un número variable de neutrones.

MASA ATÓMICA

Se define a partir de doceava parte de la masa del átomo de carbono.

El átomo de carbono (6 protones y 6 neutrones) es el átomo de carbono 12 y su masa es la de referencia de las masas atómicas.

Una unidad de masa atómica ( u ) se define como un doceavo de la masa de un átomo de carbono que tiene una masa de 12 u.

Una masa atómica relativa molar de carbono 12 tiene una masa de 12 g en esta escala. Un mol-gramo o mol de un elemento se define como el número en gramos de ese elemento igual al número que expresa su masa atómica relativa molar

MODELO ÁTÓMICO DE RUTHERFORD

Ernest Rutherford (1911) estableció el siguiente modelo atómico:

La mayor parte de la masa y toda carga positiva del átomo se concentran en una minúscula zona central de gran densidad, el núcleo.

El átomo, mucho mayor que el núcleo, incluye la corteza electrónica, que es la región donde los electrones describen órbitas circulares alrededor del núcleo.

El átomo es neutro porque el número de electrones es igual al de protones.

MODELO ÁTÓMICO DE BOHR

Propuesta por el físico danés Neils Bohr (1885-1962). Establece que el electrón se desplaza en órbitas a una distancia fija alrededor del núcleo atómico, describiendo un movimiento circular uniforme.

En este modelo los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo, ocupando la órbita de menor energía posible, o la órbita más cercana posible al núcleo

Bohr numeró los niveles de energía del electrón, considerando que mientras más cerca el electrón esté del núcleo, su estado de energía es menor.

MOLÉCULA

Una molécula es un conjunto de átomos, iguales o diferentes, que se encuentran unidos mediante enlaces químicos.

El caso que los átomos sean idénticos se da por ejemplo en el oxígeno (O2) que cuenta con dos átomos de este elemento; o pueden ser diferentes, como ocurre con la molécula del agua, la cual tiene dos átomos de hidrógeno y uno solo de oxígeno (H2O).

LEYES DE LEWIS Y REGLA DEL OCTETO

Se llaman estructuras de Lewis a las representaciones electrónicas de las fórmulas estructurales de las moléculas en las cuales cada átomo adquiere la configuración electrónica de un gas noble.

La regla del octeto establece que los átomos de los elementos se enlazan unos a otros en el intento de completar su capa de valencia (última capa de la electrósfera).

La denominación “regla del octeto” surgió en razón de la cantidad establecida de electrones para la estabilidad de un elemento, o sea, el átomo queda estable cuando presenta en su capa de valencia 8 electrones

Para alcanzar tal estabilidad sugerida por la regla del octeto, cada elemento precisa ganar o perder (compartir) electrones en los enlaces químicos, de esa forma ellos adquieren ocho electrones en la capa de valencia.

ENLACES QUÍMICOS

Enlace químico es el proceso químico responsable de las interacciones atractivas entre átomos y moléculas, y que confiere estabilidad a los compuestos químicos.

ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS: Los sólidos se dividen en dos categorías: cristalinos y amorfos.

Un sólido cristalino posee un ordenamiento estricto y regular, es decir, sus átomos, moléculas o iones ocupan posiciones específicas.

Gracias a la distribución de estas partículas en el sólido cristalino, las fuerzas de atracción intermolecular son máximas.

Las fuerzas que mantienen la estabilidad de un cristal pueden ser iónicas, covalentes, de van der Waals, de enlaces de hidrógeno o una combinación de todas ellas.

Un sólido amorfo, como el vidrio, carece de un ordenamiento bien definido y de un orden molecular repetido.

CRISTALES Y MATERIAL AMORFA

EJEMPLOS DE SÓLIDOS CRISTALINOS Y SÓLIDOS AMORFOS

CELDA UNITARIA

Es la unidad estructural básica de un sólido cristalino.

Esta unidad básica se repite en toda la estructura del sólido y contiene toda la información acerca de la estructura del cristal

SISTEMAS CRISTALOGRÁFICOS

Los siete tipos de celdas unitarias. El ángulo α está definido por las aristas b y c, el ángulo β mediante las aristas a y c, y el ángulo g mediante las aristas a y b.

COMO SE FORMAN LOS CRISTALES?

Los cristales se forman a partir de disoluciones, fundidos y vapores. Los átomos en estos estados desordenados tienen una disposición al azar, pero al cambiar la temperatura, presión y concentración pueden agruparse en una disposición ordenada característica del estado cristalino.

CRISTALIZACION POR DISOLUCIÓN Y EVAPORACIÓN DEL SOLVENTE

CRISTALIZACION POR DESCENSO DE TEMPERATURA O PRESIÓN

Cuando el material se enfría, los diferentes iones son atraídos unos con otros para formar núcleos cristalinos

En el caso de la solidificación del magma, el enfriamiento lento produce formación de cristales y minerales que forman rocas

CRISTALIZACIÓN POR SUBLIMACIÓN

La tercera forma de cristalización es mucho menos frecuente que las otras. Se trata de cristales producidos directamente de un vapor en donde, los átomos químicos disociados, cuanado se enfría en gas, se agrupan poco a poco hasta al que fin forma un sólido con una estructura cristalina denomina.

El ejemplo más común corresponde a la formación de copos de nieve

CONDICIONES PARA LA FORMACIÓN DE LOS CRISTALES

1. La material debe estar en reposo. La condición de reposo permitirá la formación del cristal

2. Debe transcurrir cierto tiempo. Cuanto mayor tiempo, mayor será el grado de cristalización

3. Espacio suficiente. Para permitir el desarrollo y crecimiento de los cristales

4. Condiciones de temperatura y presión que favorezcan la actividad atómica y molecular

LOS MINERALES

La asociación ordenada de cristales forma los minerales

Los minerales forman materias puras o se asocian con otros para formar materiales

Los materiales están compuestos de minerales y sus propiedades dependen de las de éstos

Diagramas típicos mono-axiales esfuerzo-deformación para algunos materiales de ingeniería: (a) cristal y yeso, (b) acero, (c) aleaciones de aluminio, (d) hormigón y (e) caucho blando

COMPORTAMIENTO ELÁSTICO

Un material elástico debe tener una respuesta instantánea a la carga y el material debe volver a su forma original cuando la carga se elimina

Algunos materiales presentan un comportamiento elástico para ciertos niveles de esfuerzo

La deformación elástica no modifica la disposición de los átomos dentro del material, sino lo que nace es provocar un estiramiento de los enlaces existentes entre los áticos. Cuando se elimina la carga, los enlaces atómicos vuelven a su posición original.

La constante de proporcionalidad entre el esfuerzo normal y la deformación es el módulo de Young E. 𝜎 = 𝐸𝜀

COMPORTAMIENTO ELASTO-PLÁSTICO

En algunos materiales, a medida que se incrementa el esfuerzo, la deformación se incrementa proporcionalmente hasta alcanzar cierto punto. Luego de este punto, la deformación se incrementará aplicando poco esfuerzo adicional.

En este caso, el material exhibe un comportamiento lineal seguido de una respuesta plástica.

El nivel de esfuerzo para el que el comportamiento cambia de elástico a plástico se denomina límite de elasticidad

Comportamiento de esfuerzo-deformación de los materiales plásticos: (a) ejemplo de carga y descarga, (b) elástico – perfectamente plástico y (c) elasto-plástico con endurecimiento por deformación.

RESILIENCIA

Resiliencia: Es la energía de deformación (por unidad de volumen) que puede ser recuperada de un cuerpo deformado cuando cesa el esfuerzo que causa la deformación.

La resiliencia es igual al trabajo externo realizado para deformar un material hasta su límite elástico:

Relación entre el esfuerzo y la deformación. La Resiliencia es el área bajo la curva en la zona verde

TENACIDAD

Tenacidad: En ciencia de materiales, la tenacidad es la energía de deformación total que es capaz de absorber un material antes de alcanzar la rotura en condiciones de impacto, por acumulación de dislocaciones. Se debe principalmente al grado de cohesión entre moléculas.

En mineralogía la tenacidad es la resistencia que opone un mineral u otro material a ser roto, molido, doblado, desgarrado o suprimido.

Relación entre el esfuerzo y la deformación. La tenacidad es el área conjunta bajo la curva en las zonas verde y amarilla

FRAGILIDAD Y DUCTILIDAD

La fragilidad es la capacidad de un material de fracturarse debido a su escasa o nula deformación permanente. Por el contrario, los materiales dúctiles o tenaces se rompen tras sufrir acusadas deformaciones, generalmente de tipo plásticas.

La fragilidad es lo contrario de la tenacidad y tiene la peculiaridad de absorber relativamente poca energía, a diferencia de la rotura dúctil.

FATIGA DE LOS MATERIALES

La fatiga de materiales es una reducción gradual de la capacidad de carga del componente, por la ruptura lenta de ese material, consecuencia del avance casi infinitesimal de las fisuras que se forman en su interior.

Estas deformaciones llevan el material a un deterioro progresivo, dando origen a grietas, las cuales crecen hasta alcanzar un tamaño crítico, suficiente para la ruptura final.

La curva s-n, (curva de Wöhler), se obtienen a través de una serie de ensayos donde una probeta del material se somete a tensiones cíclicas. Se cuentan los ciclos hasta rotura.

DUREZA DE LOS MATERIALES

La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones físicas como la penetración, la abrasión y el rayado

Generalmente los ensayos de dureza se sustentan en la resistencia de un material a la penetración por un objeto duro.

La dureza a veces se encuentra asociado a otras resistencias mecánicas del material, aunque su relación no obedece siempre a un patrón común.

Las cerámicas son generalmente más duras que los metales, los cuales son con frecuencia más duros que los polímeros

DUREZA DE MOHS

Una de formas más conocidas para conocer la dureza de un material es la escala de Mohs que fue desarrollada en 1822 por Friederich Mohs. Esta escala se sustenta en que el material de mayor dureza puede rayar al de menor

DUREZA BRINELL (HB)

Mide la penetración de una bola de acero templado o carburo de wolframio.

Al aplicar una fuerza (F) a la bola de diámetro D, esta deja una huella circular cuyo diámetro (d) corresponde al casquete esférico de la porción de la bola que penetró en el material.

DUREZA ROCKWELL

Es una variante del ensayo Brinell. Se utiliza como punta un cono de. Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la huella.

DUREZA SHORE

Emplea un escleroscopio. Se deja caer un indentador en la superficie del material y se ve el rebote. Es adimensional, pero consta de varias escalas. A mayor rebote, mayor dureza. Aplicable para control de calidad superficial. Es un método elástico; no de penetración como los otros.

Emplea un escleroscopio. Se deja caer un indentador en la superficie del material y se ve el rebote. Es adimensional, pero consta de varias escalas. A mayor rebote, mayor dureza. Aplicable para control de calidad superficial. Es un método elástico; no de penetración como los otros.

Soldabilidad: Capacidad de un material para soldarse, consigo mismo o con otro material. Los materiales que tienen buena fusibilidad suelen tener, como es lógico, buena soldabilidad.

PROPIEDADES NO MECÁNICAS: PROPIEDADES MAGNÉTICAS

Magnetismo: fenómeno físico en el que los materiales tienen la capacidad de atraer o repeler a otros

Depende de su estructura interna y, en particular, de su configuración electrónica.

Todos los materiales se ven influidos por la presencia de un campo magnético, pero hay algunos que tienen mucho más magnetismo que los demás, estos denominan materiales magnéticos o imanes.

Algunos que presentan propiedades magnéticas fácilmente detectables son el hierro, el níquel, el cobalto, y sus aleaciones.

PROPIEDADES NO MECÁNICAS: DENSIDAD Y PESO ESPECÍFICO

Hay tres términos generales utilizados para describir las relaciones entre la masa, el peso y el volumen de los materiales:

La densidad es la masa por unidad de volumen del material

El peso específico es el peso por unidad de volumen del material

La gravedad específica es la relación entre la masa de una sustancia y la masa de un volumen igual de agua para una temperatura especificada.

VOLUMEN DE LOS MATERIALES PARA CALCULAR LA DENSIDAD

Para la mayoría de sólidos, el peso específico, densidad o gravedad específica tiene valores definidos. En cambio en materiales como los áridos y la madera, su porosidad requiere definirse porque su influencia modifica los cálculos

PROPIEDADES SUPERFICIALES

CORROSIÓN Y DEGRADACIÓN: Casi todos los materiales se deterioran a lo largo de su vida útil. Los mecanismos que contribuyen al deterioro varían dependiendo de las características del material y del entorno.

Los materiales cristalinos, como los me-tales, se deterioran por medio de un proceso de corrosión, que es el ataque destructivo de un material por reacción química o electroquímica con su medio ambiente.

Los polímeros, como el asfalto, se deterioran por degradación, incluyendo los efectos que los disolventes y la radiación ultravioleta tienen sobre el material.

ABRASIÓN Y DESGASTE: El desgaste es la pérdida progresiva de material de la superficie de un cuerpo, causada por el movimiento de otro cuerpo con relación a dicha superficie. El desgaste, producido por la fricción de partículas de mayor dureza, produce en el material más blando la pérdida superficial de su material constitutivo. Ejemplo típico de materiales abrasivo son las lijas, limas, cepillos, etc.

TEXTURA SUPERFICIAL: Desviaciones repetitivas o aleatorias de la superficie de un objeto. La definen cuatro características: rugosidad, ondulación, orientación y defectos o fallas.

La rugosidad son desviaciones pequeñas, espaciadas finamente, de la superficie nominal y que están determinadas por las características del material y el proceso formativo.

La ondulación se define como las desviaciones de espaciamiento mucho mayor; ocurren debido a la deflexión del trabajo, vibraciones, tratamiento térmicas, y factores similares. La rugosidad está sobre impuesta a la ondulación.

La orientación es la dirección predominante o patrón de la textura de la superficie. Está determinada por el método de manufactura utilizado para crear a la superficie, por lo general a partir de la acción de una herramienta de corte.

CEMENTO PORTLAND

Cemento Hidráulico : Cemento que fragua y endurece por la interacción química con el agua, tanto al aire como bajo agua, a causa de las reacciones de hidratación de sus constituyentes, dando lugar a productos hidratados mecánicamente resistentes y estables.

Cemento Portland : Un cemento hidráulico producido por la pulverización del Clinker Portland, usualmente en combinación con sulfato de calcio.

BREVE HISTORIA DEL CEMENTO

I. Desde tiempos de la antigua Grecia y Roma y hasta mediados del siglo XVIII se empleaba la cal como único aglomerante para las construcciones. Sin embargo no posee la cualidad de fraguar bajo el agua. Se les adicionaba en determinadas circunstancias materiales de origen volcánico o materiales de alfarería triturados, obteniendo, mejores resultado de la resistencia frente al agua natural y en especial al agua de mar.

II. La era del cemento inicia con los estudios de John Smeaton (INGL) en 1756 acerca del posible mecanismo de acción del fraguado y con los posteriores ensayos de VICAT realizados en los primeros años del s. XIX sobre la producción de cementos por la cocción de mezclas artificiales de calizas y arcillas. Hasta entonces, se habían empleado cementos que consistían en una mezcla de cenizas volcánicas y cal viva. A partir de esta fecha se fueron repitiendo los intentos, con poca fortuna.

III. Joseph Aspdin en Inglaterra (1824) el primero que consiguió un producto que mereciera verdaderamente el nombre de cemento, cociendo a temperatura muy elevada una mezcla bien dosificada de cal apagada y arcilla. 21 de octubre de 1824 le concedieron la Patente Británica BP 5022 titulada Una Innovación en el Modo de Producir una Piedra Artificial, la cual el designó con el término "Cemento Portland".

IV. El incremento en la fabricación y consumo de cemento se volvió explosivo a partir de mediados del siglo 20 En 1950 se producían 180 millones de toneladas en todo el mundo. En el 2.000 había aumentado a 1.670 millones de toneladas y la proyección para el año 2.012 es de 4 mil millones de toneladas.

V. La fabricación del cemento ha adquirido tal importancia que su producción y consumo se toma como un indicativo del desarrollo económico de un país Se tiene entre los más grandes productores y consumidores de cemento a las más grandes potencias económicas

MATERIAS PRIMAS

La arcilla, la cal y el yeso, suman sus propiedades particulares y en conjunción, consiguen producir el más importante material de construcción de los dos últimos siglos.

Un elemento que tardíamente se sumó a los anteriores es la puzolana, en forma de adición mineral, para mejorar las propiedades mecánicas del hormigón y sumar a estas la resistencia a agentes químicos agresivos.

Las materias primas existen en casi todas partes y se encuentran fácilmente accesibles y en cantidades abundantes; por tanto, sus costos son relativamente bajos

LA CAL: U óxido de calcio se encuentra en muchísimas formas de roca sedimentaria, pura o combinada con otros compuestos y hasta es parte de un gran número de formas de vida existentes desde siempre en el planeta.

ARCILLA: Material metamórfico que proporciona la mayoría de los óxidos que se requieren: hierro, sílice, alúmina y otros en cantidades pequeñas: magnesio, sodio, potasio, etc.

Es el producto de la meteorización de las rocas y por tanto adquiere las características y colores de la piedra de donde proviene.

YESO: O sulfato de calcio, que proporciona azufre al cemento, también es un material sedimentario, utilizado en cantidades pequeñas para controlar las reacciones de algunos componentes.

PUZZOLANA: Compuesta mayoritariamente de sílice y alúmina le confiere propiedades muy especiales al cemento y al hormigón, especialmente de resistencia a agentes agresivos, volviendo a las estructuras más durables y confiables.

La periclasa con el agua se hidrata lentamente, cuando las reacciones de endurecimiento del cemento ya han concluido; esta hidratación lleva consigo un aumento del volumen que puede ocasionar agrietamiento y hasta desintegración del concreto.

El máximo admisible es de 5% al 6%.

ETAPA 5: MOLIENDA DEL CLINKER CON YESO Y ADICIONES: Para obtener el material reactivo deseado, el Clinker es molido en la unidad de molienda con una pequeña cantidad de yeso (regulador del fraguado).

Según el tipo de cemento se agregan al Clinker, durante la molienda, compuestos minerales (calcáreos, puzolana, escoria de alto horno, cenizas volante) para formar los llamados cementos con adiciones.

ETAPA 6: EMPAQUE Y DISTRIBUCIÓN: El empaque resultante del molino se transporta en forma mecánica o neumática hacia silos de almacenamiento y posteriormente se empaca en bultos. El empacado se hace en máquinas especiales que llenan sacos de 50 kg.

También se puede descargar directamente en carros cisternas para su distribución a granel

QUÍMICA DEL CEMENTO

Las materias primas del cemento portland son principalmente cal, sílice, alúmina y óxidos de hierro. Estos actúan entre sí en el horno para formar una serie de productos más complejos y un pequeño residuo de cal no combinado que no tuvo suficiente tiempo para reaccionar.

La química del cemento frecuentemente emplea un modelo basado en abreviaturas para las fórmulas de los óxidos más frecuentes.

ABREVIATURAS DE LOS ÓXIDOS DEL CEMENTO

LÍMITES APROXIMADOS DE LA COMPOSICIÓN DEL CEMENTO

COMPUESTOS DEL CEMENTO PORTLAND

Existen 4 compuestos químicos que se forman a partir de los óxidos.

Se forman en el interior del horno cuanto la temperatura alcanza el punto en que la mezcla cruda se transforma en un líquido pastoso, que al enfriarse da origen a sustancias cristalinas.

Estos compuestos llamados potenciales no se presentan aislados. Se pueden hablar de “fases” que las contienen en gran proporción junto con algunas impurezas.

Las Fases son: Alita, con alto contenido de C3S, Belita, a base de C2S, Aluminato, rica en C3A y la Ferrito, compuesto por ferritos y aluminatos de calcio

PRINCIPALES COMPONENTES DEL CEMENTO PORTLAND

FASE ALITA C3S

Es la fase principal de la mayoría de los clinkers Portland, y de ella dependen principalmente las características de desarrollo de resistencia mecánica.

Reacciona rápidamente con el agua, endurece en corto tiempo y tiene alto calor de hidratación.

Interviene directamente con el tiempo de fraguado y las resistencias tempranas

FASE BELITA C2S

Es la segunda fase en importancia en el clinker y su componente principal es el C2S. Reacciona lentamente con el agua.

Desarrolla bajo calor de hidratación y contribuye al desarrollo de las resistencias tardías (a partir de 7 días).

La Alita y Belita determinan principalmente el desarrollo de las resistencias mecánicas y difieren entre sí en cuanto al calor de hiratación. Su contenido (C3S y C2S) representa aprox. El 75% del cemento.

FASE ALUMINATO

Constituida básicamente por C3A, aunque no es un compuesto puro, sino más bien una solución sólida de C3A con impurezas de SiO2 y MgO que reaccionan rápidamente con H2O.

Contribuye con alto calor de hidratación y alta resistencia inicial.

Confiere las concretas propiedades indeseables como cambios volumétricos y poca resistencia a la acción de sulfatos, razón por la cual se limita entre 5 al 15%

FERROALUMINATO TETRACÁLCICO

No participa prácticamente en las resistencias mecánicas y su presencia se debe a la necesidad de utilizar fundentes que contienen hierro en la hidratación pequeño (≅100 cal/g) y gran velocidad de fraguado. Su resistencia a las aguas selenitosas y agresivos en general es la más alta de todos los constituyentes.

Su color oscuro le hace prohibitivo para los cementos blancos por lo que en este caso se utilizan otros fundentes en la fabricación.

HIDRATACIÓN DEL CEMENTO

Arbitrariamente se ha normalizado un estado posterior al endurecimiento, al cual se le conoce como fraguado final

MICROESTRUCTURA DURANTE EL PROCESO DE HIDRATACIÓN

FASE INICIAL: A los 10 minutos de mezclados el cemento con el agua ya puede observarse, con la ayuda de un microscopio electrónico, la aparición de geles alrededor de los granos de cemento no hidratado, junto con pequeñas láminas delgadas de silicato de calcio hidratado CSH.

Aproximadamente a la hora, el gel adquiere un espesor de 1 mm y bastoncillos cortos de Aft se nuclean en la superficie del mismo. En este momento de la reacción todavía no existen fuerzas que liguen las partículas unas con otras.

FASE INTERMEDIA: Se caracteriza por la hidratación del 30-40% del silicato tricíclico C3S y por el comienzo de la fase de endurecimiento de la pasta.

Entre las 3-5 hs. se puede verificar la aparición de una cierta cohesión en la pasta. Los productos que se forman fuera de la frontera original del grano se denominan productos externos, mientras que los que se forman dentro de la misma son los denominados productos internos.

Durante las 5-10 hs. iniciales, la reacción del silicato tricíclico C3S genera productos externos de SCH que forman una cubierta sobre la red de bastoncillo de Aft que se ha generado.

FASE FINAL : A las 24 hs, el C3S sigue reaccionando y generando productos internos. A medida que los granos completamente hidratados se van superponiendo entre sí, la resistencia y el módulo de elasticidad de la pasta aumentan. En esta fase la mayoría de los granos pequeños del cemento ya han hidratado completamente. Después de 2 días el espacio ocupado originalmente por el agua es ocupado por los productos de la hidratación.

Los productos externos se vuelven fibrosos y mas densos. En esta etapa se encuentran fibras de CSH de 1 mm de longitud con un diámetro de 0.01 mm. También se encuentran partículas de CSH en forma de láminas con tamaños del mismo orden de magnitud. El esqueleto básico se forma entre los 7 y los 28 días.

CALOR DE HIDRATACIÓN Durante la hidratación se generan reacciones químicas exotérmicas, haciendo que los concretos al fraguar incrementen la temperatura.

Es importante cuando se elaboran hormigones masivos ya que luego del fraguado la temperatura desciende ocasionando cambios volumétricos por él y agrietamiento del concreto

El calor de hidratación se define como la cantidad de calor en calorías gramo de cemento deshidratado, después de una hidratación completa a una temperatura dada.

La cantidad total de calor desprendido durante la hidratación completa del cemento:

 Silicato tricálcico 120 cal/gr

 Silicato dicálcico 62 cal/gr

 Aluminato tricálcico 207 cal/gr

 Ferroaluminato tetracálcico 100 cal/gr

PORCENTAJE DE MgO El óxido de magnesio MgO que se presenta en el cemento proviene generalmente de las calizas (dolomita) y a veces en pequeñas cantidades en la arcilla.

Es conocido que el MgO no se combina en el proceso de fabricación del cemento y cuando se presenta en forma cristalina, al hidratarse en concretos en contacto frecuente con el agua aumenta su volumen en forma muy lenta, con posibilidad de desintegración

La mayoría de normas limitan la presencia de MgO en el cementa a porcentajes de 5 - 6%.

RESISTENCIA A SULFATOS

El concreto expuesto a soluciones de sulfatos puede ser atacado y sufrir deterioro en un grado que depende de los constituyentes del concreto, la calidad del concreto en el lugar, así como el tipo y la concentración del sulfato.

Los sulfatos en suelos húmedos o en agua penetran en el concreto y reaccionan con el C3A hidratado, ocasionando expansión, descascaramiento y agrietamiento del concreto. Algunos compuestos de sulfato, tales como los sulfatos de magnesio, atacan directamente el silicato de calcio hidratado.

TIPOS DE CEMENTO

Se fabrican diferentes tipos de cemento portland para satisfacer a varios requisitos físicos y químicos para aplicaciones específicas. Los cementos portland se producen de acuerdo con las especificaciones ASTM C 150, o ASTM C 1157.

En Ecuador, las normas equivalentes son INEN 152, INEN 490 e INEN 2380

CEMENTO TIPO

1. El cemento tipo I es un cemento para uso general, apropiado para todos los usos donde las propiedades especiales de otros cementos no sean necesarias. Sus empleos en concreto incluyen pavimentos, pisos, edificios en concreto armado, puentes, tanques, embalses, tubería, unidades de mampostería y productos de concreto prefabricado y precolado
2. El cemento tipo II se usa donde sean necesarias precauciones contra el ataque por sulfatos. Se lo puede utilizar en estructuras normales o en miembros expuestos a suelos o agua subterránea, donde la concentración de sulfatos sea más alta que la normal pero no severa. El cemento tipo II tiene propiedades de moderada resistencia a los sulfatos porque contiene no más del 8% de aluminato tricálcico (C3A).
3. Ofrece resistencia a edades tempranas, normalmente una semana o menos. Es química y físicamente similar al cemento tipo I, a excepción de que sus partículas se muelen más finamente. Es usado cuando se necesita remover encofrados lo más temprano posible o cuando la estructura será puesta en servicio rápidamente. En clima frío, permite una reducción en el tiempo de curado. A pesar de que se puede usar un alto contenido de cemento tipo I para el desarrollo temprano de la resistencia, el cemento tipo III puede ofrecer esta propiedad más fácilmente y más económicamente.
4. El cemento tipo IV se usa donde se deban minimizar la tasa y la cantidad de calor generado por la hidratación. Por lo tanto, este cemento desarrolla la resistencia en una tasa más lenta que otros tipos de cemento. Se puede usar el cemento tipo IV en estructuras de concreto masivo (hormigón masa), tales como grandes presas por gravedad, donde la subida de temperatura derivada del calor generado durante el endurecimiento deba ser minimizada
5. El cemento tipo V se utiliza en concretos expuestos a la acción severa de sulfatos – principalmente donde el suelo y el agua subterránea tienen alta concentración de sulfatos. Su desarrollo de resistencia es más lento que en el cemento tipo I. La alta resistencia a los sulfatos del cemento tipo V se atribuye al bajo contenido de aluminato tricálcico, no excediendo a 5%.

TIPOS DE CEMENTO REQUERIDOS PARA LA EXPOSICIÓN DEL CONCRETO A LOS SULFATOS EN SUELO O EN AGUA

CEMENTOS CON AIRE INCLUIDO

La ASTM C 150 presenta especificaciones para tres cementos con aire incluido (incorporado) (Tipos IA, IIA y

IIIA). Ellos corresponden a la composición de los cementos ASTM tipos I, II y III, respectivamente, a

excepción de que, durante su producción, se muelen pequeñas cantidades de material incorporador (inclusor) de

aire juntamente con el clínker.