UNIDAD 2: CEMENTO PORTLAND SUBTEMA:
A.
Introducción Proceso de fabricación Composición química Propiedades físicas y mecánicas Atraer la atención: El cemento es la materia prima para la producción del concreto, por esto es muy importante entender su composición y propiedades. Esto nos ayudará como ingenieros civiles a evitar problemas de durabilidad en nuestras construcciones al entender cómo funciona nuestro principal material.
B.
Motivación:
1 Tomado d e www.patologiasconstruccion.net www.patologiasconstruccion.net Fisuras como la que se muestran en la imagen anterior se deben a problemas de retracción del concreto. Esto se puede prevenir si conocemos qué reacciones ocurren en sus componentes. Al entenderlo correctamente evitaremos problemas de durabilidad y por tanto de estabilidad en nuestras edificaciones. Así seremos mejores residentes de obra o supervisores estructurales.
C.
Enlace: Una vez entendido qué es un conglomerante en la unidad anterior, estudiaremos el conglomerante más usado en la industria de la construcción: el cemento portland.
I.
OBJETIVOS a. Objetivo General: Iniciar el estudio de los materiales que componen el hormigón, desde su elemento esencial: el cemento.
b. Objetivos de específicos
Reconocer el proceso de fabricación del cemento portland.
Ing. María Carolina Escobar | Hormigón y materiales – Semestre Semestre II 2015 Unidad 2 – Plan Plan de lección 3
Identificar la composición química del cemento portland. Comprender las propiedades físicas y mecánicas del material.
TAREA: Iniciar el estudio de las propiedades básicas del cemento portland . CONDICIÓN: El estudiante cuenta con los planes de lección consignados en la plataforma Blackboard®, así como la lectura autónoma de los temas sugeridos por el docente. Adicionalmente, se planteará un foro de discusión donde se responderán las dudas planteadas durante el estudio de este plan de lección. NORMA: Se recomienda la lectura del capítulo 2 del libro Tecnología del concreto y del mortero de Sánchez de Guzmán, para complementar lo aprendido.
II.
DESARROLLO DEL TEMA
El cemento portland es uno de los materiales más comunes que se utilizan en nuestras obras civiles. Tiene distintas aplicaciones y es el material base para crear morteros y concretos. Adicionalmente su versatilidad ofrece beneficios tanto mecánicos como económicos. En esta unidad, desarrollaremos las propiedades y características del cemento portland. También identificaremos su proceso de fabricación y por último conoceremos las normas técnicas que se aplican en Colombia para su control de calidad. Proceso de fabricación En Colombia, se desarrolló la industria cementera desde la década de 1930. Antes de esa época su producción era a una escala mucho menor, ya que era más común el uso de la mampostería que el uso del concreto. Cuando se desarrollaron las primeras fábricas de cemento en el país, Cementos Samper fueron los pioneros al estar en capacidad de producir hasta 150 T por día. Posteriormente surgieron en distintas partes del territorio nacional más industrias. En el siguiente esquema se puede visualizar como se distribuyeron a lo largo del país para suplir las necesidades del sector de la construcción.
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Complemento: Para conocer un poco más de la historia de la industria cementera en Colombia, les comparto el siguiente artículo de la revista Dinero: http://www.dinero.com/edicion-impresa/especial-comercial/articulo/cementossamper-como-nueva-despues-100-anos/24788
El proceso de fabricación del cemento está estandarizado en el mundo. 1. Inicia con la explotación de la materia prima: Calizas presentes en la naturaleza que se extraen de las canteras, donde algunas veces es necesario el uso de explosivos dependiendo de la dureza del material. 2. Luego se procede a llevar la caliza hasta la planta trituradora para homogeneizar su tamaño hasta obtener partículas de 1” aproximadamente. 3. Posteriormente se realiza la mezcla de la caliza triturada con la arcilla, en proporciones determinadas por el tipo de cemento que se producirá. Se lleva nuevamente a proceso de triturado para dejar el material en partículas de 0.05mm. 4. La homogenización: la mezcla que sale del molino se transporta hasta silos de gran tamaño donde se homogeniza la mezcla a través de la inyección de aire. Este proceso es de gran importancia ya que en la reacción química que sufrirá el cemento al ser mezclado con los demás componentes del concreto se requiere que su composición sea homogénea. 5. Clinkerización: es el proceso en el cual se somete la mezcla a un tratamiento térmico en hornos rotatorios donde la temperatura alcanza los 1.500°C. En este proceso la mezcla sufre varios cambios según se muestra en la siguiente tabla: Ing. María Carolina Escobar | Hormigón y materiales – Semestre II 2015 Unidad 2 – Plan de lección 3
Temperatura
Proceso
Reacción
Hasta 100°C
Evaporación de agua libre
Endotérmica
Por encima de 500°C
Deshidratación de los minerales arcillosos
Endotérmica
800°C
Liberación de CO2
Exotérmica
Cristalización de los productos minerales descompuestos.
Exotérmica
Descomposición del carbonato
Endotérmica
De 900°C a 1.200°C
Reacción del CaO con los silicoaluminatos
Exotérmica
De 1.250°C a 1.280°C
Se inicia la formación de líquidos
Endotérmica
Por encima de 1.280°C hasta 1.500°C
Formación de líquidos y de los compuestos del cementos (clinkerización)
Endotérmica
Por encima de 900°C
Observaciones Este proceso ocurre cuando la mezcla se realiza en presencia de agua.
Tabla 1Tomado de Sánchez de Guzmán
6.
7.
8. 9.
Al finalizar el proceso de clinkerización, se obtienen masas que varían de tamaño entre 3 y 30mm y el producto se conoce como Clinker. El Clinker sufre un proceso de enfriamiento rápido y súbito donde se busca que no se presente óxido de magnesio en forma cristalina, que podría afectar las propiedades mecánicas del concreto que se producirá con este cemento. El enfriamiento se realiza por medio de parrillas en las que pasa aire frio. La molienda final es el proceso en el que el Clinker de gran tamaño pasa por una serie de cuerpos moledores en el que se pulveriza con una adición de yeso (2 a 5%) que servirá para evitar el fraguado relámpago del cemento y para regular la velocidad de endurecimiento. Este producto se conoce como CEMENTO PORTLAND. Finalmente el cemento pasa al proceso de empaque y distribución. En Colombia está reglamentado que los sacos de cemento deben pesar 50kg. Complemento: en el siguiente video podrán ver un documental hecho por Discovery Channel de cómo es el proceso de fabricación del cemento: https://youtu.be/CZs8-b3bqfA
Atención! Al adicionar al proceso otros componentes, se crean variedades de cemento. Esto será ampliado en otro plan de lección de esta misma unidad.
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Composición química Como se ha visto, las materias primas utilizadas en la fabricación del cemento portland consisten principalmente de cal, sílice, alúmina y óxido de hierro. Estos compuestos interactúan en el horno rotatorio de producción, para formar una serie de productos más complejos, hasta alcanzar un estado de equilibrio químico, con la excepción de un pequeño resido de cal no combinada, que no ha tenido tiempo de combinar.1 El cemento portland está formado por silicatos, aluminatos y ferroaluminatos de calcio y tiene los siguientes compuestos principales: Silicato tricálcico: o Composición de óxido: 3CaOSiO 2 Abreviatura: C3S o Silicato bicálcico: Composición de óxido: 2CaOSiO 2 o o Abreviatura: C2S Aluminato tricálcico: Composición de óxido: 3CaOAl 2O3 o Abreviatura: C3 A o Ferroaluminato tetracálcico: o Composición de óxido: 4CaOFe 2O3 Al2O3 Abreviatura: C4 AF o
Atención! Las abreviaturas las utilizamos para reconocer con mayor facilidad cada uno de estos compuestos, y será importante reconocerlos ya que esta composición química estará asociada a las propiedades físicas y mecánicas que se extenderán en este plan de lección.
Para extender la explicación de la composición química del cemento, deberán leer del siguiente vínculo de la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Nordeste de Argentina: http://ing.unne.edu.ar/pub/quimica/cemento.pdf
La hidratación del cemento genera varias reacciones químicas las cuales dan paso a las propiedades mecánicas. Sin embargo, los fenómenos que ocurren durante la hidratación son de gran complejidad y no son necesarios para el estudio de este curso. Esta reacción se puede resumir de la siguiente manera: La pasta de cemento: agua + cemento, es un sistema dinámico que varía dependiendo de la composición del cemento y de las condiciones de temperatura y humedad en las cuales estamos trabajando. Al reaccionar los compuestos anhídridos del cemento con el agua se originan dos tipos de compuestos: los cristalinos hidratados y un gel. A cada partícula de cemento se adhiere agua que produce que pequeños cristales aparezcan en la superficie de la partícula. Los cristales van creciendo y una sustancia gelatinosa los envuelve, en
1
Sánchez de Guzmán. Tecnología del concreto y d el mortero. Página 35. Ing. María Carolina Escobar | Hormigón y materiales – Semestre II 2015 Unidad 2 – Plan de lección 3
la medida que se va equilibrando la cantidad de agua entre los cristales y el gel, este se torna estable y aporta algunas de las propiedades mecánicas de la pasta endurecida.
2Tomado de campus.ort.edu.ar
En la siguiente tabla se muestra un resumen de la secuencia de las reacciones básicas de hidratación del cemento portland y su influencia en las propiedades mecánicas.
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3Tomado de Sánchez de Guzmán En el proceso de hidratación hay algo más que debemos tener en cuenta en nuestro ejercicio profesional, el calor de hidratación. El calor de hidratación es la cantidad de calor, en calorías por gramo de cemento deshidratado, después de una hidratación completa a una temperatura dada. Es decir, al hidratar el cemento tenemos un proceso exotérmico, lo cual aumenta la temperatura del concreto el fraguar y endurecer. Luego cuando inicia el descenso térmico de la mezcla hay contracción en el material y esto conduce a graves agrietamientos. Esto se presenta, sobretodo, en casos en los que tenemos concreto masivo como en la fundida de la cimentación de un puente o de un gran muro de contención. Es muy importante mantener el calor de hidratación en estos casos para evitar problemas futuros en la durabilidad de las estructuras.
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Un ejemplo en Colombia de fundidas de concreto masivo lo encontramos en la refinería de Cartagena:
La ampliación de la refinería de Cartagena es uno de los proyectos de infraestructura industrial más grandes de los últimos años en Colombia. Las obras de ampliación, harán de esta refinería en una de las más modernas de su categoría en América Latina, duplicando su capacidad actual, para llevarla de 80.000 barriles de crudo/día a 165.000 barriles/día. Como proveedor de concreto en esta obra, Argos enfrentó uno de los mayores desafíos de su historia: colocar 3.300 m3 de concreto en 22.5 horas continuas de trabajo. ¿El resultado? El vaciado de concreto masivo más grande del que se tenga noticia en Colombia, hecho en una sola jornada. Este vaciado fue necesario para construir las cimentaciones del edificio de la unidad de coquización retardada de la nueva refinería: una estructura de 24 m de ancho por 57 m de largo con un espesor de 2.40 m de altura.
4 Tomado de http://www.argos.co/colombia/obras/industriales Propiedades físicas y mecánicas Cómo ya se ha dicho, las reacciones y propiedades químicas complementan las propiedades físicas y mecánicas del cemento portland, las cuales se enumeran a continuación: Peso específico o densidad: Es la relación entre la masa de una cantidad dada y su volumen. o El cemento portland de densidad normal cuando no tiene adiciones distintas al yeso, o varía en el rango de 3.10 a 3.15 g/cm 3 El peso específico no indica directamente la calidad del cemento, pero se puede o relacionar con otras propiedades. Por ejemplo, baja densidad y alta finura podrán indicar que el cemento contiene adiciones. En Colombia está normatizado el ensayo con la NTC-221 el cual corresponde al método o de Le Chatelier. En este ensayo se mide el volumen de la masa conocida usando el principio de Arquímedes al usar el desplazamiento de un líquido que no reacciona químicamente con el cemento.
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En nuestro ejercicio profesional es importante esta característica ya que el diseño de mezcla de concreto se realiza por peso de cada material para mezclar 1m 3 de concreto. Superficie específica o finura: Esta propiedad está dada en unidades de cm 2/g. o Es una característica muy importante, ya que como explicamos en la sección anterior, la o hidratación de las partículas de cemento inicia en su superficie. Es decir, la finura del molido está ligada directamente a su capacidad hidráulica. o Esta característica influye en otras propiedades como la velocidad de hidratación, desarrollo de calor, retracción y aumento de resistencia con la edad. Cementos muy finos endurecen más rápidamente y desarrollan rápido su resistencia. Sin embargo, tiene algunos inconvenientes al estar extremadamente fino pues estará o expuesto con mayor facilidad a la exposición de la atmósfera lo cual disminuirá su durabilidad. Adicionalmente, libera mayor calor de hidratación que podría generar agrietamientos. Por otra parte, en casos de partículas muy grandes estas se hidratan y endurecen o lentamente, lo cual puede ocasionar la pérdida de agua en la mezcla. Se mide por métodos directos o indirectos. En Colombia están normatizados los o primeros en la NTC-226 y NTC-294; los segundos en las normasIcontec-597 y NTC-33. Los métodos indirectos corresponden al turbidímetro de Wagner y al permeabilímetro de Blaine, respectivamente. Consistencia normal: Hace referencia a la fluidez dada al mezclar cierta cantidad de agua y de cemento. o El contenido de agua de una pasta normal se expresa como el porcentaje en peso del o cemento seco y está en un rango entre 23% y 33%, dependiendo de las características del cemento. Es una característica complementaria a otros ensayos como la determinación del tiempo o de fraguado y la estabilidad del volumen para determinar la calidad del cemento. El ensayo para Colombia está descrito en la NTC-110 y se mide por medio del aparato de o Vicat. Fraguado del cemento: Esta propiedad está dada por el tiempo de fraguado inicial y final. o El tiempo de fraguado inicial es el tiempo transcurrido entre la adición del agua hasta o que la pasta pierde su viscosidad y eleva la temperatura. El tiempo de fraguado final es el tiempo desde la adición del agua hasta que la pasta deja o de ser deformable con cargas relativamente pequeñas y ha llegado al máximo de la temperatura. o Estos tiempos son importantes por delimitan el tiempo disponible para mezclar, transportar, colocar, vibrar y afinar el concreto en la obra. En Colombia se tiene la norma NTC-118 mediante la aguja de Vicat o la NTC-109 con las o agujas de Gillmore. Siendo el primero, el más utilizado. Falso fraguado: Corresponde a la rigidez prematura y anormal del cemento. Se presenta en los primeros o minutos del mezclado con agua y al mezclar la pasta sin adicionar más agua restablece su plasticidad sin pérdida de resistencia. o
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Los ensayos de laboratorio para este fenómeno están descritos en la NTC-228 y 297. Estabilidad de volumen: La estabilidad de volumen de una mezcla es muy importante ya que evitará que se o produzca una expansión perjudicial. Aunque la retracción del concreto es normal se debe mantener dentro de unos límites controlados. En Colombia, se realiza el ensayo de las agujas de Le Chetellier (NTC-1514) para medir el o cambio de diámetro de cilindros de pasta curados en condiciones controladas. Resistencia mecánica: Es quizá la característica más obvia para el estudio de los ingenieros civiles. o Se mide a partir de una mezcla de mortero y no de sólo pasta, por cuanto la aplicación de o esta propiedad está dada en la construcción con concreto. No se mide en probetas de concreto propiamente dicho por la difícil estandarización de los agregados. En este ensayo existen variaciones en las normas y recomendaciones internacionales o para su desarrollo. Sin embargo, el ensayo a compresión de las probetas está descrita en la NTC-220, para aplicación en Colombia. o
III.
IV.
CONCLUSIÓN La industria del cemento portland es indispensable para mantener la industria de la construcción de un país. En Colombia se produce este material desde hace más de 100 años. Identificar la composición química del cemento portland facilita la compresión de procesos de durabilidad y propiedades mecánicas del material. Conocer las propiedades físicas y mecánicas del cemento portland no da herramientas como ingenieros civiles para desarrollar más hábilmente nuestra profesión. Adicionalmente, nos brinda estándares de calidad y durabilidad para nuestras obras.
BIBLIOGRAFIA Sánchez de Guzmán. (2001). Tecnología del concreto y del mortero. Bogotá: Bhandar editores. blog.360gradosenconcreto.com Concretos Argos
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