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• Mario Ato Tejero

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HISTORIA DEL CEMENTO: INTRODUCCION La utilización de cementos y aglomerantes se remonta a -

Egipto , construcción de las pirámides Griegos y romanos, utilización de los primeros concretos llamado por los romanos “OPUS CEMENTITIUM” En 1724, se busca la cal hidráulica, adicionando arcilla a la mezcla con cal. En 1778, el Sr Aspdin realiza ensayos con rocas de la isla de Pórtland (Inglaterra) es el padre del Cemento Pórtland En el Perú la fabricación del cemento se remonta a 1916 al construirse la CIA Peruana de cemento Pórtland, hoy “Cemento Lima”.

Cemento Se denomina cemento a un conglomerante hidráulico que, mezclado con agregados pétreos (árido grueso o grava, más árido fino o arena) y agua, crea una mezcla uniforme, maleable y plástica que fragua y se endurece al reaccionar con el agua, adquiriendo consistencia pétrea, denominado hormigón o concreto. Su uso está muy generalizado en construcción e ingeniería civil, siendo su principal función la de aglutinante cemento es también un pegamento que sirve para hacer concreto y para ser morteros para pegar juntas de ladrillos. ¿Qué constituye una buena mezcla de hormigón? Una buena mezcla de hormigón es aquella que produce un hormigón denso y fuerte, duradero y resistente a los elementos. Dicha mezcla es una receta equilibrada compuesta por cemento áridos finos (arena ), áridos bastos (piedra) y agua dulce Propiedades Fisicas y Quimicas Los cementos pertenecen a la clase de materiales denominados aglomerantes en construcción, como la cal aérea y el yeso (no hidráulico), el cemento endurece rápidamente y alcanza resistencia altas, esto gracias a reacciones complicadas de la combinación cal – sílice. Ejemplo: Análisis químico del cemento: CaO

63%

(cal)

SiO2

20%

(Sílice)

Al2O3

6%

(Alùmina)

Fe2O3

3%

(Oxido de Fierro)

MgO

1.5%

(Oxido de Magnesio)

K2O + Na2O

1%

(Álcalis)

Perdida por calcinación

2%

Residuo insoluble 0.5 % SO3

2%

(Anhídrido Sulfùrico)

CaO Residuo

1%

(Cal Libre)

Suma

100%

Características Quimicas ☻ Mòdulo Fundente. ☻ Compuestos Secundario: -

Silicato tricalcico: a mayor porcentaje de este compuesto; mayor velocidad en adquisición de resistencia. Silicato dicalcio : este compuesto genera mas calor y es el que origina grietas mayores por cambios de volumen .

☻ Perdida por Calcinación. ☻ Residuo insolube. Caracteristicas Fisicas ☻ Superficie Especìfica ☻ Tiempo de Fraguado : Es el cambio del estado plástico al estado endurecido de una pasta de cemento. Endurecimiento. Aumento de resistencia de una pasta de cemento fraguada. Cuando una muestra de cemento se mezcla con agua, se forma una pasta plástica; ésta se va perdiendo a medida que pasa el tiempo, hasta llegar un momento en que la pasta pierde su viscosidad y se eleva su temperatura; el tiempo transcurrido desde la adición del agua se llama “TIEMPO DE FRAGUADO INICIAL”, e indica que el cemento se encuentra parcialmente hidratado y la pasta semidura. Posteriormente, la pasta sigue endureciendo hasta que deja de ser deformable con cargas relativamente pequeñas, se vuelve rígida y llega al máximo de temperatura; el tiempo así transcurrido desde la mezcla con agua se denomina “TIEMPO DE FRAGUADO FINAL”, el cual indica que el cemento se encuentra aún más hidratado (aunque no totalmente) y la pasta ya está dura. A partir de este momento empieza el proceso de endurecimiento de la pasta, y la estructura del cemento fraguado va adquiriendo resistencia mecánica. Los tiempos de fraguado, son importantes por la idea que dan del tiempo disponible para mezclar, transportar, colocar, vibrar y acabar hormigones y morteros en una obra, así como para transitar sobre ellos y para mojarlos con miras al curado.

☻ Falso Fraguado : Es una rigidez prematura y anormal del cemento, que se presenta dentro de los primeros minutos después de haberlo mezclado con agua. Se diferencia del fraguado relámpago en que no despide calor en forma apreciable, y si se vuelve a mezclar la pasta sin adición de agua, se restablecen su plasticidad y fraguado normales sin pérdida de resistencia.

☻ Estabilidad de Volumen: Para que un cemento sea estable es necesario que ninguno de sus componentes, una vez hidratados, sufra una expansión perjudicial o destructiva. Los cuatro componentes principales del cemento no pueden producir inestabilidad, ya que sus volúmenes después de hidratados aunque son mayores que los compuestos anhídros, son inferiores a los volúmenes de éstos más el volumen de agua necesaria para la hidratación; por lo tanto, en circunstancias normales, los morteros y los hormigones se contraen al endurecer, fenómeno que se llama RETRACCIÓN; la casi totalidad de la retracción ocurre en los primeros 2 ó 3 meses de hidratación del cemento y en hormigones normales llega a ser del orden de 0.015%. Las normas colombianas limitan la expansión potencial de un hormigón por medio del ensayo de autoclave (Norma ICONTEC-107) que consiste en medir el cambio de longitud de unas barras hechas de pasta al iniciarse la hidratación y después de sometidas a una aceleración del proceso. El cambio de longitud en porcentaje se denomina expansión en autoclave. ☻ Resistencia Mecanica : Existe en el mundo una unanimidad casi completa en el uso de morteros para estos ensayos, como solución intermedia entre la pasta y el hormigón. En cuanto a la arena normal para la preparación del mortero existen dos tendencias: ASTM o la RILEM. En la proporción en que deben mezclarse tampoco hay acuerdo total; la mayoría de los países, exigen una mezcla 1:3 (una parte de cemento por tres partes de arena en peso), según la ASTM (Norma ICONTEC-220) debe ser 1: 2.75; sin embargo, se ha demostrado que la variación de la resistencia a compresión variando la proporción de 1:2 a 1:3.5 cambia muy poco (menos del 7%)~. En cuanto a la determinación del agua que debe agregarse a la mezcla, el ASTM pide el empleo de mortero de consistencia normal, o un valor de agua/cemento de 0.485. La determinación de la consistencia normal se hace sobre una mesa de caída de flujo, sobre la cual se coloca una muestra en forma de tronco de cono; por medio de un mecanismo con excéntrica, la mesa sube alrededor de 1 cm y baja en caída libre, haciendo que la muestra se extienda sobre el plato, el mortero normal debe dar un determinado cambio de diámetro al final del número estandarizado de caídas. ☻ Contenido de aire ☻ Calor de hidratación Composición del cemento Materias Primas Caliza (carbonato de calcio CaCo3) La caliza es una roca sedimentaria menos compacta que el mármol, compuesta en su mayoría por carbonato cálcico. Es muy abundante y su origen puede ser orgánico o químico. Otros componentes

presentes en su composición son el óxido de hierro, fósiles y otros minerales, estos componentes son necesarios para la formación del clinquer en las etapas posteriores. Para obtener la caliza existen diferentes métodos de extracción, ya sea a tajo abierto (sobre el manto terrestre), o como también por métodos subterráneos. Este último método es escaso y costoso pero a diferencia del otro método (a tajo abierto), la caliza extraída es mas pura, siendo de mejor calidad. En Chile, existe solo un yacimiento subterráneo llamado Mina Navio, ubicado en Calera y que pertenece a Cementos Melón. La caliza es la roca más importante en la fabricación del cemento proporcionando el óxido de calcio (CaO)

—Arcillas, (SiO2, Al2O3, Fe2O3)

La arcilla es un mineral procedente de la descomposición de rocas que contienen feldespato1,2 por ejemplo granito, originada en un proceso natural que demora decenas de miles de años. Físicamente se considera un coloide1,3, de partícula extremadamente pequeña y superficie lisa. Químicamente es un silicato hidratado de alúmina, cuya fórmula es Al2O3-2SiO2-2H2O. Se caracteriza por adquirir plasticidad al mezclarla con agua, y también sonoridad y dureza al calentarla por encima de 800º C. Las arcillas se forman esencialmente por sílice, por alúmina y por hierro. Su contenido es variable de una arcilla a otra. Las arcillas utilizadas están constituidas generalmente por varios minerales en proporciones variables. La arcilla proporciona SiO y Al O . 2

2

3

—Yeso Piedra natural, muy suave, de color blanco y rica en sulfatos de calcio que, en pequeña proporción, se adiciona en la fabricación del cemento para que actúe como retardador de fraguado.

Proceso para la fabricación de Cemento La Piedra Caliza una vez exportada de una cantera la tritura la trituramos a una medida que mas o menos el molino con el que cuentan pueda pulverizar eso quiere decir que va a pasar por una chancadora primaria que las rocas de caliza que sacan las va a convertir a un tamaño de una a dos pulgadas. Luego pasa por una chancadora secundaria esta la tritura a una granulometría de 18 20milimetros y esto luego pasa a otra chancadora que lo hace polvo esta caliza entra a un horno en este horno le agregas carbón, arcilla y luego esto se calcina a una temperatura mas o menos de 1200 1300 grados aquì se forma un producto llamado clinker es el compuesto de piedra caliza, arcilla y carbón bituminoso estas pelotitas que son como si fueran d carbón se llama clinker esto luego pasa a un molino y se le añade arcilla y yeso en proporción eso lo añado en la molienda a la hora que se esta moliendo el clinker se le añade esos 2 productos mas eso es en un molino de bolas y luego se le da una granulometría de quiere que pasa la malla 300 y luego se embolsa.

ETAPAS DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN Explotación de materias primas. Caliza de dureza elevada- uso de explosivos y luego trituración, caliza suficientemente blanda- sin uso de explosivos, arcillasnormalmente se encuentran en condiciones de poder mezclarse directamente con la caliza y su extracción generalmente es por arrastre: palas mecánicas, cargadores, traíllas. Preparación, dosificación y molienda. La caliza explotada se transporta a una planta de trituración de donde sale con un tamaño de una pulgada aproximadamente, antes de pasarla a la molienda con la arcilla. Proceso por vía húmeda. Si la arcilla está bastante húmeda, se somete a la acción de mezcladores para formar la “lechada”; esto se hace en un molino de lavado. La mezcla de la caliza triturada y la lechada de arcilla se lleva a un molino de cuerpos moledores (bolas o barras), llamado molino de crudo, que lleva los materiales hasta un tamaño medio de 0.05 mm. El producto que sale del molino tiene aproximadamente 35% y 50% de agua y se conoce como “PASTA”. Proceso por vía seca. Las materias primas se trituran en el molino de crudo, donde se secan (1 a 2% de humedad). Este polvo seco que sale se llama grano molido, crudo o “HARINA”. Homogeneización. Proceso por vía húmeda. La “PASTA” es bombeada a tanques de homogeneización llamados “BALSAS” donde se impide la sedimentación de los sólidos mediante agitación mecánica y burbujeo de aire comprimido. Proceso por vía seca. La “HARINA” se transporta por mediosmecánicos o neumáticos a unos “SILOS DE HOMOGENIZACIÓN” donde se hacen los ajustes finales y la mezcla se homogeniza inyectando aire a presión por la parte inferior del silo. De las “BALSAS” (vía húmeda) o “LOS SILOS DE HOMOGENIZACIÓN” (vía seca), la mezcla pasa a “SILOS DE ALMACENAMIENTO”. Clinkerización. La mezcla de materias primas se somete a un tratamiento térmico en grandes hornos rotatorios. En el proceso por vía húmeda, la “PASTA” es bombeada al horno, por donde empieza a descender, encontrando progresivamente mayores temperaturas. Después de varios procesos químicos la masa se funde en bolas de diámetro entre 3 y 30 mm, conocidas como “CLINKER”. Éste es pasado a un enfriador, en donde se le baja la temperatura por medio de aire. CAMBIOS OCURRIDOS EN EL PROCESO DE CLINKERIZACIÓN DENTRO DEL HORNO ROTATORIO

TEMPERATURA

PROCESO

Hasta 100°C Por encima de 500°C 800°C Menor a 900°C

Evaporación de agua libre. Deshidratación de los minerales arcillosos. Liberación de CO2. Cristalización de los productos minerales descompuestos. Descomposición del carbonato. Reacción del CaO con los silicoaluminatos. Se inicia la formación de líquidos.

De 900°C a 1200°C De 1250°C a 1280°C

De 1280°C a 1500°C

Formación de líquidos y de los compuestos del cemento (clinkerización).

Enfriamiento. El clinker sale a una temperatura cercana a 1200°C ó 1300°C, ya que en la parte final del horno mismo se presenta un principio de enfriamiento. El descenso de temperatura del clinker hasta 50°C ó 70°C debe ocurrir en forma rápida y brusca, el cual se logra haciendo pasar aire frío por el clinker en enfriadores de tipo parrilla. Adiciones finales y molienda. El clinker frío, que es característicamente negro, reluciente y duro, se lleva a un almacenamiento o directamente a un molino de cuerpos moledores compuesto de diversos compartimentos, los cuales tienen bolas de acero cada vez más pequeñas. En él se pulveriza con una pequeña adición de yeso (2 a 5%), el cual sirve para evitar el fraguado relámpago del cemento y regular la velocidad de endurecimiento del mismo. Este producto es lo que se conoce como “CEMENTO PORTLAND”; es decir, que no recibe adición distinta al yeso. Empaque y distribución. El cemento se transporta en forma mecánica o neumática a silos de almacenamiento y una vez hechos los ensayos de control de calidad, es empacado en el momento de despacharlo al consumo. La operación de empaque, se hace en máquinas especiales que llenan los sacos y automáticamente los sueltan cuando tienen un peso de 50 kg (peso estandarizado por las normas colombianas).

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: 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 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. Peso especifico del Cemento El peso específico real varia muy poco de unos cementos a otros, oscilando entre 2.9 y 3.15 [gr/cm3]. La limitación, establecida pora algunas normas (igual o superior a 3) se cumple prácticamente siempre. La determinación del peso especifico relativo de los cementos consiste en establecer la relación entre una masa de cemento (gr) y el volumen (ml) de líquido

Tipos de cemento El cemento portland Cemento hidráulico producido mediante la pulverización del clinker, compuesto esencialmente de silicatos de calcio hidráulicos y que contienen generalmente una o mas de las formas de sulfato de calcio como una adición durante la molienda Normativa La calidad del cemento portland deberá estar de acuerdo con la norma ASTM C 150. VENTAJAS -

Uso general en la construcción. Alta adherencias. Alto poder aglomerante. Resistencia a elementos químicos agresivos. Altas resistencias mecánicas iníciales y finales.

Tipos de Cemento Portland -

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Tipo I: normal es el cemento Pórtland destinado a obras de concreto en general, cuando en las mismas no se especifique la utilización de otro tipo. ( Edificios, estructuras industriales, conjuntos habitacionales) Libera más calor de hidratación que otros tipos de cemento. Tipo II : de moderada resistencia a los sulfatos es el cemento Pórtland destinado a obras de concreto en general y obras expuestas a la acción moderada de sulfatos o donde se requiere moderado calor de hidratación , cuando así sea especificado.(Puentes, tuberías de concreto) Tipo III: Alta resistencia inicial, como cuando se necesita que la estructura de concreto reciba carga lo antes posible o cuando es necesario desencofrar a los pocos días del vaciado Tipo IV: Se requiere bajo calor de hidratación en que no deben producirse dilataciones durante el fraguado. Tipo V : Usado donde se requiere una elevada resistencia a la acción concentrada de los sulfatos ( canales, alcantarillas, obras portuarias )

Tipos de Cemento Portland Puzolànico -

Portland Puzolànico tipo IP: Donde la adición de puzolana es del 15 – 40% del total. Portland Puzolànico tipo I (PM): Donde la accion de puzolana es menos del 15%. Portland Puzolànico tipo P: Donde la adicion de puzolana es mas del 40%.

Cementos Especiales -

Cemento Portland blanco Cemento de Albañilería Cementos Aluminosos Cementos Compuestos

TIPOS DE CEMENTO- Aplicaciones

Represa en Antamina, cemento Pórtland tipo II Complejo habitacional y comercial, cemento Pórtland tipo I Punta Lagunas de San Juan, cemento Pórtland puzolánico tipo I (PM)

PRODUCCION – Proceso de Fabricación 1.

EXTRACCION DE CANTERAS

3. MOLINO DE CRUDO

4. HORNEADO

2. CHANCADO

5. MOLINO DE CEMENTO 6. ENSACADO

Cementos blancos Contrariamente a los cementos férricos, los cementos blancos tienen un módulo de fundintes 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 obscuro al cemento ferrico. La reducción del Fe2O3 es compensada con el agregado de fluorita (CaF2) y de criolita (Na3AlF6), necesarios en la fase de fabricación en el horno.para bajar la calidad del tipo de cemento que hoy en día hay 4: que son tipo I 52,5, tipo II 52,5, tipo II 42,5 y tipo II 32,5;también llamado pavi) se le suele añadir una adición extra de caliza que se le llama clinkerita para rebajar el tipo, ya que normalmente el clinker molido con yeso sería tipo I Cementos de mezclas Los cementos de mezclas se obtienen agregando al cemento Portland normal otros componentes como la puzolana. El agregado de estos componentes le da a estos cementos nuevas características que lo diferencian del Portland normal.

Cemento puzolánico Se denomina puzolana a una fina ceniza volcánica que se extiende principalmente en la región del Lazio y la Campania, su nombre deriva de

la localidad de Pozzuoli, en las proximidades de Nápoles, en las faldas del Vesubio. Posteriormente se ha generalizado a las cenizas volcánicas en otros lugares. Ya Vitrubio describía cuatro tipos de puzolana: negra, blanca, gris y roja. Mezclada con cal (en la relación de 2 a 1) se comporta como el cemento puzolánico, y permite la preparación de una buena mezcla en grado de fraguar incluso bajo agua. Esta propiedad permite el empleo innovador del hormigón, como ya habían entendido los romanos: El antiguo puerto de Cosa fue construido con puzolana mezclada con cal apenas antes de su uso y colada bajo agua, probablemente utilizando un tubo, para depositarla en el fondo sin que se diluya en el agua de mar. Los tres muelles son visibles todavía, con la parte sumergida en buenas condiciones después de 2100 años. La puzolana es una piedra de naturaleza ácida, muy reactiva, al ser muy porosa y puede obtenerse a bajo precio. Un cemento puzolánico contiene aproximadamente:   

55-70% de clinker Portland 30-45% de puzolana 2-4% de yeso

Puesto que la puzolana se combina con la cal (Ca(OH)2), se tendrá una menor cantidad de esta última. Pero justamente porque la cal es el componente que es atacado por las aguas agresivas, el cemento puzolánico será más resistente al ataque de éstas. Por otro lado, como el 3CaOAl2O3 está presente solamente en el componente constituido por el clinker Portland, la colada de cemento puzolánico desarrollará un menor calor de reacción durante el fraguado. Este cemento es por lo tanto adecuado para ser usado en climas particularmente calurosos o para coladas de grandes dimensiones. Se usa principalmente en elementos en las que se necesita alta permeabilidad y durabilidad.

Cemento siderúrgico La puzolana ha sido sustituida en muchos casos por la ceniza de carbón proveniente de las centrales termoeléctricas, escoria de fundiciones o residuos obtenidos calentando el cuarzo. Estos componentes son introducidos entre el 35 hasta el 80%. El porcentaje de estos materiales puede ser particularmente elevado, siendo que se origina a partir de silicatos, es un material potencialmente hidráulico. 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 puzolanico, 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. Tiene alta resistencia química, de ácidos y sulfatos, y una alta temperatura al fraguar.

Es el producto que se obtiene de la mezcla conjunta de clínquer, escoria básica granulada de alto horno y yeso. La escoria básica granulada, es el producto que se obtiene por enfriamiento brusco de la masa fundida no metálica, que resulta en el tratamiento de mineral de hierro, en un alto horno. Si tiene menos de 30% de escoria básica, se denomina Cemento Portland Siderúrgico.

Cemento de fraguado rápido El cemento de fraguado rápido, también conocido como "cemento romano ó prompt natural", se caracteriza por iniciar el fraguado a los pocos minutos de su preparación con agua. Se produce en forma similar al cemento Portland, pero con el horno a una temperatura menor (1.000 a 1.200 ºC).1 Es apropiado para trabajos menores, de fijaciones y reparaciones, no es apropiado para grandes obras porque no se dispondría del tiempo para efectuar una buena colada. Aunque se puede iniciar el fraguado controlado mediante retardantes naturales (E-330) como el ácido cítrico, pero aun así si inicia el fraguado aproxima. a los 15 minutos(temperatura a 20ºC). La ventaja es que al pasar aproxima. 180 minutos de inciado del fraguado, se consigue una resistencia muy alta a la compresión (entre 8 a 10 MPa), por lo que se obtiene gran prestación para trabajos de intervención rápida y definitivos. Hay cementos rápidos que pasados 10 años, obtienen resistencia a la compresión superior algunos hormigones armados (pasan en la gráfica de 60 MPa).

Cemento aluminoso 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

Por lo que se refiere al óxido de silicio, su presencia como impureza tiene que ser menor al 6 %, porque el componente al que da origen, es decir el (2CaOAl2O3SiO2) tiene pocas propiedades hidrófilas (poca absorción de agua).