Material Teórico. Materiales Aglomerantes. cemento

1. UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
“FRANCISCO DE MIRANDA”
AREA TECNOLOGIA
PROGRAMA INGENIERIA CIVIL
U.C. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
Prof.: Ing. José A. Contreras R.
UNIDAD III
MATERIALES AGLOMERANTES
Introducción
Los principales cementantes hidráulicos son las cales y cementos
hidráulicos, algunas escorias y ciertos materiales con propiedades
puzolánicas. De acuerdo con el grado de poder cementante y los
requerimientos específicos de las aplicaciones, estos cementantes pueden
utilizarse en forma individual o combinados entre si.
Al referirse específicamente al concreto convencional, como se emplea en
la construcción, resultan excluidas las cales hidráulicas, por lo cual solo
procede considerar los cementos, las escorias, los materiales puzolánicos y
sus respectivas combinaciones.
Por otra parte, bajo la denominación genérica de cementos hidráulicos
existen diversas clases de cemento con diferente composición y
propiedades, en cuya elaboración intervienen normalmente las materias
primas.
El cemento no es lo mismo que el concreto, es uno de los ingredientes que
se usan en él. Sus primeros usos datan de los inicios de 1800 y, desde
entonces, el cemento Pórtland se ha convertido en el cemento más usado
en el mundo. Su inventor le dio ese nombre porque el concreto ya curado
es del mismo color que una piedra caliza que se obtiene cerca de
Pórtland, Inglaterra. Este tipo de cemento es una mezcla de caliza
quemada, hierro, sílice y alúmina, y las fuentes más comunes donde se
pueden obtener estos materiales son el barro, la piedra caliza, esquisto y

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mineral de hierro. Esta mezcla se mete a un horno de secar y se pulveriza
hasta convertirlo en un fino polvo, se empaca y se pone a la venta.
Antecedentes
El origen del cemento es tan antiguo, como la humanidad ya que la
necesidad que ha tenido el hombre de construir su propio hábitat, así
como las estructuras necesarias para su progreso, ha constituido el factor
principal en la búsqueda de materiales para esta finalidad.
Desde la antigüedad, se emplearon pastas y morteros elaborados con
arcilla, yeso o cal para unir mampuestos en las edificaciones. Fue en la
Antigua Grecia cuando empezaron a usarse tobas volcánicas extraídas de
la isla de Santorini, los primeros cementos naturales. En el siglo I a. C. se
empezó a utilizar el cemento natural en la Antigua Roma, obtenido en
Pozzuoli, cerca del Vesubio. La bóveda del Panteón es un ejemplo de ello.
En el siglo XVIII John Smeaton construye la cimentación de un faro en el
acantilado de Edystone, en la costa Cornwall; empleando un mortero de
cal calcinada, este encontró que el mejor mortero se obtenía cuando se
mezclaba puzolana con caliza que contenía una alta cantidad de
material arcilloso, Smeaton fue el primero en conocer las propiedades
químicas de la cal hidráulica. El siglo XIX, Joseph Aspdin y James Parker
patentaron en 1824 el “Portland Cement”, denominado así por su color gris
verdoso oscuro. Isaac Johnson, en 1845, obtiene el prototipo del cemento
moderno, con una mezcla de caliza y arcilla calcinada a alta
temperatura. En el siglo XX surge el auge de la industria del cemento,
debido a los experimentos de los químicos franceses Vicat y Le Chatelier y
el alemán Michaélis, que logran cemento de calidad homogénea, unido a

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la invención del horno rotatorio para calcinación y el molino tubular y los
métodos de transportar hormigón fresco ideados por Juergen Hinrich
Magens que patenta entre 1903 y 1907.
El Cemento
El cemento se conoce como cemento Portland, es una mezcla de calizas y
arcillas pulverizadas a grandes temperaturas con adición de yeso, que
fragua y se endurece al reaccionar con el agua, adquiriendo consistencia
pétrea; generalmente se emplea uniendo fragmentos de grava y arena,
para formas un sólido único o piedra artificial, conocida con el nombre de
concreto hidráulico; su uso está muy generalizado en construcción e
ingeniería civil, su principal función es la de aglutinante.
Proceso de Fabricación del Cemento
Existe una gran variedad de cementos según la materia prima base y los
procesos utilizados para producirlo, que se clasifican en procesos de vía
seca y procesos de vía húmeda.
El proceso de fabricación del cemento comprende cuatro etapas
principales:
1. Extracción y molienda de la materia prima
2. Homogeneización de la materia prima
3. Producción del Clinker
4. Molienda de cemento.

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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.
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,
hasta obtener la finura deseada, para finalmente obtener cemento.
Composición Química del Cemento
La influencia que el cemento portland ejerce en el comportamiento y
propiedades de la pasta cementante y del concreto, derivan
fundamentalmente de la composición química del clinker y de su finura de
molienda.

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Una vez que el agua y el cemento se mezclan para formar la pasta
cementante, se inicia una serie de reacciones químicas que en forma
global se designan como hidratación del cemento. Estas reacciones se
manifiestan inicialmente por la rigidización gradual de la mezcla, que
culmina con su fraguado, y continúan para dar lugar al endurecimiento y
adquisición de resistencia mecánica en el producto. Aun cuando la
hidratación del cemento es un fenómeno sumamente complejo, existen
simplificaciones que permiten interpretar sus efectos en el concreto. Con
esto admitido, puede decirse que la composición química de un clinker
portland se define convenientemente mediante la identificación de cuatro
compuestos principales, cuyas variaciones relativas determinan los
diferentes tipos de cemento portland; A saber, silicatos de calcio (C3S y
C2S), aluminato tricálcico (C3A) y el aluminoferrito tetracalcico.
En términos prácticos se concede que los silicatos de calcio (C3S y C2S) son
los compuestos más deseables, porque al hidratarse forman los silicato
hidratados de calcio (S-H-C) que son responsables de la resistencia
mecánica y otras propiedades del concreto. Normalmente, el C3S aporta
resistencia a corto y mediano plazo, y el C2S a mediano y largo plazo, es
decir, se complementan bien para que la adquisición de resistencia se
realice en forma sostenida.
El aluminato tricálcico (C3A) es tal vez el compuesto que se hidrata con
mayor rapidez, y por ello propicia mayor velocidad en el fraguado y en el
desarrollo de calor de hidratación en el concreto. Asimismo, su presencia
en el cemento hace al concreto más susceptible de sufrir daño por efecto
del ataque de sulfatos. Por todo ello, se tiende a limitarlo en la medida que
es compatible con el uso del cemento.

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Finalmente, el aluminoferrito tetracálcico es un compuesto relativamente
inactivo pues contribuye poco a la resistencia del concreto, y su presencia
más bien es útil como fundente durante la calcinación del clinker y porque
favorece la hidratación de los otros compuestos.
Tipos de Cemento
Los Cementos Portland por lo general, se fabrican en cinco tipos cuyas
propiedades se han normalizado sobre la base de la especificaciones de
normas para Cemento Portland; los tipos se distinguen según los requisitos
tanto físicos como químicos.
Portland Tipo I: Es un cemento normal, se produce por la adición de clinker
más yeso. De uso general en todas las obras de ingeniería donde no se
requiera miembros especiales. De 1 a 28 días alcanza de 1 al 100% de su
resistencia relativa.
Portland Tipo II: Cemento modificado para usos generales. Resiste
moderadamente la acción de los sulfatos, se emplea también cuando se
requiere un calor moderado de hidratación. El cemento Tipo II adquiere
resistencia más lentamente que el Tipo I, pero al final alcanza la misma
resistencia. Las características de este Tipo de cemento se logran al
imponer modificaciones en el contenido de Aluminato Tricalcico (C3A) y el
Silicato Tricalcico (C3S) del cemento. Se utiliza en alcantarillados, tubos,
zonas industriales. Alcanza del 75 al 100% de su resistencia.
Portland Tipo III: Cemento de alta resistencia inicial, recomendable cuando
se necesita una resistencia temprana en una situación particular de
construcción. El concreto hecho con el cemento Tipo III desarrolla una

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resistencia en tres días, igual a la desarrollada en 28 días para concretos
hechos con cementos Tipo I y Tipo II ; se debe saber que el cemento Tipo III
aumenta la resistencia inicial por encima de lo normal, luego se va
normalizando hasta alcanzar la resistencia normal. Esta alta resistencia
inicial se logra al aumentar el contenido de C3S y C3A en el cemento, al
molerlo más fino. Dado a que tiene un gran desprendimiento de calor el
cemento Tipo III no se debe usar en grandes volúmenes. Con 15% de C3A
presenta una mala resistencia al sulfato. El contenido de C3A puede
limitarse al 8% para obtener una resistencia moderada al sulfato o al 15%
cuando se requiera alta resistencia al mismo, su resistencia es del 90 al
100%.
Portland Tipo IV: Cemento de bajo calor de hidratación se ha
perfeccionado para usarse en concretos masivos. El bajo calor de
hidratación de Tipo IV se logra limitándolos compuestos que más influye en
la formación de calor por hidratación, o sea, C3A y C3S. Dado que estos
compuestos también producen la resistencia inicial de la mezcla de
cemento, al limitarlos se tiene una mezcla que gana resistencia con
lentitud. El calor de hidratación del cemento Tipo IV suele ser de más ó
menos el 80% del Tipo II, el 65% del Tipo I y 55% del Tipo III durante la primera
semana de hidratación. Los porcentajes son un poco mayores después de
más ó menos un año. Es utilizado en grandes obras, moles de concreto, en
presas o túneles. Su resistencia relativa de 1 a 28 días es de 55 a 75%.
Portland Tipo V: Cemento con alta resistencia a la acción de los sulfatos, se
especifica cuando hay exposición intensa a los sulfatos. Las aplicaciones
típicas comprenden las estructuras hidráulicas expuestas a aguas con alto

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contenido de álcalis y estructuras expuestas al agua de mar. La resistencia
al sulfato del cemento Tipo V se logra minimizando el contenido de C3A,
pues este compuesto es el más susceptible al ataque por el sulfato.
Alcanza su resistencia relativa del 65 al 85 %.
Tipos de Cementos Especiales
Cemento Portland Blanco : Es el mismo Portland regular, lo que defiere es el
color, esto se obtiene por medio del color de la manufactura, obteniendo
el menor numero de materias primas que llevan hierro y oxido de
magnesio, que son los que le dan la coloración gris al cemento. Este
cemento se usa específicamente para acabados arquitectónicos tales
como estuco, pisos y concretos decorativos.
Cemento Portland de Escoria de Alto Horno: Es obtenido por la
pulverización conjunta del clinker portland y escoria granulada finamente
molida con adición de sulfato de calcio. El contenido de la escoria
granulada de alto horno debe estar comprendido entre el 15% y el 85% de
la masa total.
Cemento Siderúrgico Supersulfatado: Obtenido mediante la pulverización
de escoria granulada de alto horno, con pequeñas cantidades
apreciables de sulfato de calcio.
Cemento Portland Puzolanico: Se obtiene con la molienda del clinker con
la puzolana. Tiene resistencia parecida al cemento normal y resistente
ataques al agua de mar, lo que lo hace aconsejable para construcciones
costeras. Para que el cemento sea puzolanico debe contener entre el 15%
y el 50% de la masa total. El cemento puzolanico se utiliza en

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construcciones que están en contactos directos con el agua, dada su
resistencia tan alta en medios húmedos.
Cemento Portland Adicionado: Obtenido de la pulverización del clinker
portland conjuntamente con materiales arcillosos o calcareos - silicos-
aluminosos.
Cemento Aluminoso: Es el formado por el clinker aluminoso pulverizado el
cual le da propiedad de tener alta resistencia inicial. Es también resistente
a la acción de los sulfatos así como a las altas temperaturas.
Propiedades Físicas del Cemento
Finura del Cemento: la finura se define como la medida o tamaño de las
partículas que componen el cemento; se expresa en cm²/gr lo cual
llamamos superficie de contactos o superficies especificas; esto se refleja
en el proceso de hidratación del cemento ya que a mayor superficie de
contacto mejor y más rápida es el tiempo de fraguado. Entre más fino sea
el cemento más rápido es el contacto con el agua y entre mayor sea la
superficie de contacto mayor es la finura del cemento. En 28 días un
cemento a cumplido el 90% de su hidratación, el otro 10% puede tardar
años.
Peso Especifico o Densidad Aparente del Cemento: El peso específico
expresa la relación entre la muestra de cemento y el volumen absoluto. El
peso específico del cemento debe estar entre 3.10 a 3.15 gr/cm³ . El valor
del peso específico no indica la calidad de un tipo de cemento, sino que
su valor es usado para el diseño de la mezcla. Con el valor del peso
específico se pueden encontrar otras características del concreto.

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Consistencia Normal del Cemento: Al agregar agua al cemento se
produce una pasta (cemento + agua), la cual se hace más fluida a
medida que se le va aumentando el contenido de agua. La consistencia
normal es un estado de fluidez alcanzado por la pasta del cemento que
tiene una propiedad óptima de hidratación. Se expresa como un
porcentaje en peso o volumen de agua con relación al peso seco del
cemento.
Almacenamiento del Cemento
El cemento es una sustancia particularmente sensible a la acción del agua
y de la humedad, el cual puede conservarse sin deteriorarse, en la
medida en que esté protegido de la humedad del suelo y del aire, por lo
tanto deben observarse ciertas precauciones para su almacenamiento.
 Los depósitos deben ser techados y ventilados.
 Almacenar las bolsas en lugares secos siempre sobre paletas o
tablones secos, separados del piso (mínimo 12 cm) y retiradas de las
paredes (mínimo 20 cm).
 Si hubiera riesgos de mojaduras por lluvia o condensación, cubrir las
paletas de cemento con láminas de plástico resistente.
 Tiempos prolongados de almacenamiento, aún en las condiciones
indicadas más arriba, también pueden producir grumos.
 Habitualmente los grumos por compactación no ocasionan
problemas en el desempeño de los productos.
 Asegurar una adecuada rotación del cemento estibado. Almacenar
las bolsas de modo de ir utilizando/despachando las más antiguas primero.

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 Evitar períodos de almacenamiento prolongados ya que,
dependiendo de las condiciones de almacenamiento, el desarrollo de
resistencia a compresión del cemento a edad temprana podría llegar a
reducirse sensiblemente.
 Se recomienda estibar, como máximo, hasta dos paletas uno sobre
otro. Mayor cantidad de paletas apilados puede ocasionar compactación
en las bolsas inferiores (grumos).
 No arrojar las bolsas desde lo alto ni arrastrarlas por el piso.