MATERIALES DE CONSTRUCCION CAPITULO V Cementos Cemento es una sustancia de polvo fino hecha de una mezcla de yeso, arcilla y otras sustancias capaz de formar una pasta blanda al mezclarse con agua y que se endurece espontáneamente en contacto con el aire. El cemento tiene diversas aplicaciones como en la unión de arena y grava con cemento Portland (es el más usual) para formar hormigón, pegar superficies de distintos materiales o para revestimientos de superficies a fin de protegerlas de la acción de sustancias químicas. Tiene diferentes composiciones para usos diversos. Pueden recibir el nombre del componente principal, como el cemento calcáreo, que contiene óxido de silicio, o como el cemento epoxico, que contiene resinas epoxídicas; o de su principal característica, como el cemento hidráulico, o el cemento rápido. Los cementos utilizados en la construcción se denominan en algunas ocasiones por su origen, como el cemento romano, o por su parecido con otros materiales, como el caso del cemento Portland, que tiene cierta semejanza con la piedra de Portland, usada en Gran Bretaña para la construcción. Los cementos que resisten altas temperaturas se llaman cementos refractantes, etc.
Historia del Cemento: La arquitectura del hierro y el vidrio, que había sido la principal aportación a la construcción hasta el siglo XIX, fue superada desde los comienzos del siglo XX por la técnica del hormigón armado o concreto. Tal progreso no habría sido posible sin el descubrimiento del cemento, material cuya producción resulta de significativa importancia para valorar el desarrollo de la economía de un país. Fue la arcilla el primer material aglutinante empleado en la albañilería, a la que siguieron otros como el mortero de cal y el yeso. Así, los egipcios emplearon yesos en sus pirámides y los romanos fabricaron hormigones con cementos naturales calcinados por acción volcánica. En el siglo I a. C., el arquitecto Marco Vitrubio Polión conocía los principios de agregación del hormigón. Los cementos hidráulicos, es decir, los que fraguan y endurecen bajo el agua por acción de esta sobra sus componentes, se conocían, por tanto, desde la antigüedad. En 1756, el ingeniero británico John Smeaton llegó a la conclusión de que los mejores cementos hidráulicos eran los fabricados a base de roca blanda impura, en lugar de la caliza dura pura preferida con anterioridad. En 1824, el también británico Joseph Aspind observó que la escoria dura, clínica o clinker molida y mezclada con agua, producía un cemento de mejor calidad. El mortero fraguado a base de cemento, arena y agua presentaba características similares a la piedra natural extraída de las canteras de la isla
de Portland, en el Reino Unido, por lo que le dio tal denominación. De fraguado más rápido, los cementos de aluminato de calcio comenzaron a emplearse antes de la primera guerra mundial, al llegar a resultados satisfactorios la búsqueda de un producto que en uno o dos días adquiriese consistencia y resistiera la acción corrosiva de las aguas que transportan sulfatos de calcio y magnesio.
Clasificación del Cemento: •
Según sea su procedencia se clasifica en: – Naturales y Artificiales
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Por el tiempo de fraguado: – Lentos y Rápidos
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Por su composición química – Portland, Siderúrgicos, Puzolánicos, Aluminosos, Sulfatados, de Adición
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Por sus aplicaciones: – Resistente a los sulfatos, de alta resistencia inicial, expansivos, etc.
Fabricación del Cemento:
Las materias primas para la producción del Portland son minerales que contienen: – – – – –
óxido de calcio (44%), óxido de silicio (14,5%), óxido de aluminio (3,5%), óxido de hierro (3%) y óxido de manganeso (1,6%)
La extracción de estos minerales se hace en canteras, que preferiblemente deben estar próximas a la fábrica, con frecuencia los minerales ya tienen la composición deseada, sin embargo en algunos casos es necesario agregar arcilla o calcáreo, o bien minerales de hierro, bauxita, u otros minerales residuales de fundiciones. La mezcla es calentada en un horno especial, constituido de un inmenso cilindro (llamado kiln) dispuesto horizontalmente con una ligera inclinación, y rodando lentamente. La temperatura crece a lo largo del cilindro hasta llegar a aproximadamente 1400°C; la temperatura es tal que hace que los minerales se combinen pero no se fundan o vitrifiquen. Otras veces este horno es vertical pero es menos común. En la sección de temperatura menor, el carbonato de calcio (calcáreo) se separa en óxido de calcio y dióxido de carbono (CO2). En la zona de alta temperatura el óxido de calcio reacciona con los silicatos y forma silicatos de calcio (Ca2Si y Ca3Si). Se forma también una pequeña cantidad de aluminato tricálcico (Ca3Al) y Aluminoferrito de tricalcio (Ca4AlFe). El material resultante es denominado clinker. El clinker puede ser conservado durante años antes de proceder a la producción del cemento, con la condición de que no entre en contacto con el agua. La energía necesaria para producir el clinker es de aproximadamente 1.700 joule por gramo, pero a causa de las perdidas de calor el valor es considerablemente más elevado. Esto comporta una gran demanda de energía para la producción del cemento, y por lo tanto la liberación de una gran cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera, gas de efecto invernadero. Para mejorar las características del producto final al clinker se le agrega aproximadamente el 2 % de yeso y la mezcla es molida finamente. El polvo obtenido es el cemento preparado para su uso. El cemento obtenido tiene una composición del tipo: • 64% óxido de calcio • 21% óxido de silicio • 5,5% óxido de aluminio • 4,5% óxido de hierro • 2,4% óxido de magnesio • 1,6% sulfatos • 1% otros materiales, entre los cuales principalmente agua.
Cuando el cemento Portland es mezclado con el agua, el producto solidifica en algunas horas y endurece progresivamente durante un período de varias semanas. El endurecimiento inicial es producido por la reacción del agua, yeso y aluminato tricálcico, formando una estructura cristalina de calcio-aluminio-hidrato, estringita y monosulfato. El sucesivo endurecimiento y el desarrollo de fuerzas internas de tensión derivan de la reacción más lenta del agua con el silicato de tricalcio formando una estructura amorfa llamada calcio-silicato-hidrato. En ambos casos, las estructuras que se forman envuelven y fijan los granos de los materiales presentes en la mezcla. Una última reacción produce el gel de silicio (SiO2). Las tres reacciones generan calor. 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.
La calidad del cemento Portland deberá estar de acuerdo con la norma ASTM C 150
Cementos Artificiales Cemento Portland: se fabrica a partir de materiales calizos, por lo general piedra caliza, junto con arcillas, pizarras o escorias de altos hornos que contienen óxido de aluminio y óxido de silicio, en proporciones aproximadas de un 60% de cal, 19% de óxido de silicio, 8% de óxido de aluminio, 5% de hierro, 5% de óxido de magnesio y 3% de trióxido de azufre. Ciertas rocas llamadas rocas cementosas tienen una composición natural de estos elementos en proporciones adecuadas y se puede hacer cemento con ellas sin necesidad de emplear grandes cantidades de otras materias primas. No obstante, las cementeras suelen utilizar mezclas de diversos materiales. Las normas indican una designación para determinar cada cemento, seguida de un número que indica la resistencia a la compresión de un mortero normal a los 28 días, el fraguado de estos cementos empiezan a los 30-45 minutos y termina tras 10-12 horas desde su amasado. La reacción del cemento con el agua es exotérmica, pudiéndose observar una elevación de la temperatura, entre las sustancias perjudiciales para los cementos portland está los ácidos, aguas jabonosas, cloruros, nitratos, algunos abonos, agua de mar y las sustancias grasas Cementos Puzolánicos: son el producto de la mezcla de puzolana y clincker, con adición eventual de algez para regular el fraguado. Se llama puzolana al producto natural de origen volcánico capaz de fijar cal a la temperatura ambiente y formar materiales con propiedades hidráulicas. 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. Cementos Siderúrgicos: 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. Esta 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 también tiene buena resistencia a las aguas agresivas y desarrolla menos 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. Las normas establecen dos clases: cemento portland siderúrgico y portland de alto horno. Cemento de adición: son cementos preparados con clinker y otros materiales cuyas resistencias mecánicas pueden ser inferiores a los anteriores, pueden ser preparados por una mezcla de 70% de escoria y el resto de clinker y sulfato cálcico, otra combinación se obtiene por la mezcla de clinker con materiales como margas, calizas puzulánicas, escorias o cemento natural. Cemento Aluminosos: son cementos obtenidos por una mezcla de materiales aluminosos y calizos, con un contenido de 32% de óxido de aluminio, aprox. El cemento aluminoso se produce a partir principalmente de la bauxita con impurezas de óxido de hierro (Fe2O3), óxido de titanio (TiO2) y óxido de silicio (SiO2). Adicionalmente se agrega calcáreo o bien carbonato de calcio. El cemento aluminoso, también llamado «cemento fundido», por lo que la temperatura del horno alcanza hasta los 1.600°C y 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 Cemento Portland Blanco: se obtiene a partir de materia prima como la Creta y el caolín, sin contenido de manganeso ni hierro. Contrariamente a los cementos 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. Cementos expansivos: son aquellos cuya composición tiene la propiedad de aumentar de volumen durante los procesos de fraguado y endurecimiento. Cemento Grapiers: son cementos de fraguado lento, obtenidos por la grapiers de la cal, cuando de ellos se separa la cal libre que los acompaña
Cementos Mixtos: son los que se obtienen de una mezcla, en proporción variable, de un cemento natural y grapiers de cal después de la calcinación Cemento de fraguado rápido: también conocido como «cemento romano», 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. 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 colada.
CEMENTOS CON ADICIONES Clases de adiciones Se las distingue en activas (reaccionan químicamente) y no activas (inertes). Ejemplos de las primeras lo constituyen las puzolanas y las escorias de alto horno. De las segundas, el “filler” calcáreo. Las razones de la incorporación de adiciones en la fabricación de cementos son variadas, destacándose las ecológicas (aprovechamiento de un residuo o subproductos de otras industrias o procesos; menor generación de CO2; etc) y la obtención de cementos con propiedades especiales, con costos de producción reducidos.
CEMENTOS NATURALES:
Cemento Natural de Fraguado 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.
Cemento Natural de Fraguado 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. 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. Cemento Zumaya: Se llama cemento de Zumaya o simplemente Zumaya, al cemento natural de fraguado rápido obtenido por la calcinación de margas, sin adición de materiales en crudo ni en frío, y que son análogos a los fabricados en la región cementera de Zumaya
Características distintivas de los Cementos Cemento Portland Normal - Aplicaciones: Es el tradicional, apto para todo tipo de obra. De uso cuando no se requieran propiedades especiales en cuanto a resistencia y durabilidad, sea con fines estructurales o no (estructuras comunes de hormigón armado; prefabricados; pavimentos; pre y post-tensado, morteros de albañilería). - Características: Libera más calor de hidratación y fragua más rápido que otros tipos de cemento. - Observaciones: Deben tomarse los recaudos necesarios para enfriar el hormigón al trabajar con masas de gran volumen; No usarlo en ambientes agresivos (suelos con yeso, cloruros, materia orgánica, salitrosos; ambiente marino, etc.).
Cemento Portland con “filler” calcáreo - Aplicaciones: De uso cuando no se requieran propiedades especiales en cuanto a resistencia y durabilidad, con fines estructurales o no (estructuras comunes de hormigón armado; prefabricados; pavimentos; morteros de albañilería). - Características: Libera menos calor de hidratación que el CPN.; al igual que el éste, fragua más rápido que otros tipos de cemento. La resistencia final de hormigones elaborados con este tipo de cemento, suele ser menor a la que se obtendría con otros tipos, en razón de la incorporación de adiciones “no activas” en su fabricación. Como aspecto positivo, el “filler” le otorga mayor cohesión y retención de agua a las mezclas, aportándole mayor trabajabilidad en estado fresco, mejora la resistencia inicial y disminuye el calor de hidratación. - Observaciones Evitar el exceso de agua en los pastones de hormigón; mantener el curado durante los primeros días posteriores a la colocación.
Cemento Portland con Escorias - Aplicaciones: Cualquier tipo de construcción; Cuando se requieran buenas condiciones de impermeabilización; Resiste al ataque moderado de sulfatos; Resiste a ciertos agregados reactivos (se recomienda ensayo previo).
Cemento Portland Compuesto Contiene en su composición, hasta el 35% de dos o más de las adiciones minerales: puzolanas (P), escorias (E), “filler” (F). - Características: Combina los beneficios del “filler” calcáreo (adición “no activa”) en cuanto al aporte de trabajabilidad en estado fresco, con la mayor resistencia final de los cementos con adiciones “activas” (resistencias a largo plazo superiores a los de un CPN de la misma categoría). Mayor durabilidad y resistencia química a medios agresivos.
Cemento Portland Puzolánico - Aplicaciones: Prácticamente en cualquier tipo de obra, fundamentalmente en aquellas en las cuales se requieran ciertas propiedades especiales de durabilidad y no exijan de altas resistencias a temprana edad (pudiendo postergarse tal requisito hasta los 90 días). - Características: Es de bajo calor de hidratación. Es resistente al ataque de sulfatos, inhibidor de la reacción álcali-agregado y mejora la trabajabilidad, plasticidad e impermeabilidad de las mezclas, lo que va en beneficio de la durabilidad. Su resistencia se desarrolla más lentamente que en otros cementos, pero a los 56 días igual a la de un CPF, para superarla de allí en más. Algo similar ocurre con los CPN, pero a mayor edad. La velocidad de desarrollo de la resistencia está en relación directa con el contenido de adición activa. Esta característica configura un aspecto muy importante que debe forzar a la revisión y modificación de muchos Pliegos de Especificaciones Técnicas, fundamentalmente en las Obras Públicas, los que habitualmente contemplan los ensayos a los 28 días, sin atender a la naturaleza del cemento empleado. De emplearse Cemento Portland Puzolánico, lo recomendable es especificar la medición de la resistencias a 56 o 90 días.
Cemento de Alto Horno - Aplicaciones: Obras donde se utilicen agregados potencialmente activos; donde las aguas o suelos se encuentren sulfatados; donde se necesite del desarrollo de bajo calor de hidratación. - Características: Es de bajo calor de hidratación. Su resistencia final suele ser superior a la que se obtiene mediante el empleo de CPN, a dosis similares. Su desarrollo es algo más
lento que la del cemento normal. Este aspecto distintivo, al igual que lo observado para los CPP, debe ser tenido en cuenta al momento de plantear fechas de ensayos de probetas en la redacción los pliegos de obras. - Observación: este cemento pierde su designación de “portland”, a diferencia de los restantes. Según la ASTM, a cuyas normas estamos acogidos, clasifica los cementos en 5 tipos, de acuerdo a sus características generales: Tipo I II III IV V
Característica Uso general Calor de hidratación moderado Fraguado rápido Poco calor de hidratación Resistencia a los sulfatos
En la República Dominicana se fabrica el cemento tipo II, que también cumple con las generalidades del tipo I. Las fábricas de cemento en Santiago, San Pedro de Macorís y Barahona usan el proceso seco. El tipo III tiene la misma resistencia a los 7 días que el tipo I a los 28 días, pero con mayor desprendimiento de calor. En la mayoría de los casos el calor se disipa en la atmosfera sin problema, pero en algunos casos, como lo es en el vaciado de una presa en el cual se vacían grandes volúmenes de hormigón, este calor puede acusar dilataciones y rajadura en la masa por lo que se debe usar el tipo IV, que fragua más lentamente pero con un mínimo desprendimiento de calor. En países altamente industrializados, donde las emisiones de humo de factoría cargan la atmosfera de sulfatos y otros contaminantes que atacan al concreto, hay que recurrir al tipo V. El cemento tipo III no se importa porque podría fraguar durante el transporte, por lo que en nuestro país no se usa, y si se quiere fabricar una obra que requiera fraguado rápido lo que se hace es que se adiciona aditivo a la mezcla para conseguirlo.
Almacenamiento del Cemento El cemento es una sustancia particularmente sensible a la acción del agua y de la humedad, por lo tanto para salvaguardar sus propiedades, se deben tener algunas precauciones muy importantes, entre otras: -
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Inmediatamente después de que el cemento se reciba en el área de las obras si es cemento a granel, deberá almacenarse en depósitos secos, diseñados a prueba de agua, adecuadamente ventilados y con instalaciones apropiadas para evitar la absorción de humedad. Si es cemento en sacos, deberá almacenarse sobre parrillas de madera o piso de tablas; no se apilará en hileras superpuestas de más de 14 sacos de altura para
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almacenamiento de 30 días, ni de más de 7 sacos de altura para almacenamientos hasta de 2 meses. Para evitar que el cemento envejezca indebidamente, después de llegar al área de las obras, el Contratista deberá utilizarlo en la misma secuencia cronológica de su llegada. No se utilizará bolsa alguna de cemento que tenga más de dos meses de almacenamiento en el área de las obras, salvo que nuevos ensayos demuestren que está en condiciones satisfactorias.
Conservación en Bodegas: Las bodegas deben ser lugares ventilados que impidan la acumulación de humedad. A nivel del techo es conveniente la existencia de ventanillas para la circulación de aire (una buena práctica es el empleo de extractores de aire). Los pisos deben ser radieres de hormigón, embaldosados o enmaderados. Si son enmaderados, los tablones deben estar a 10 cm. del suelo. El aperchado debe permitir que los sacos queden al menos a 50 cm. de las paredes. No se deben aperchar más de 12 sacos para evitar la compactación del cemento y facilitar su manejo. Debe mantenerse un control de recepción y salida de sacos para evitar que queden partidas antiguas rezagadas. Se recomienda utilizar el método FIFO (PEP). No almacene cemento durante el invierno por más de 30 días. No almacene más de 3 pallet de altura. En caso de largas estadías en bodega, se recomienda además, de las medidas anteriores, rotar periódicamente la posición de los sacos, aprovechando el cambio para dar golpes de canto a los sacos y soltando el cemento que se aprieta durante el aperchado. Cubra los sacos con una lámina de polietileno que llegue al piso.
