EL CEMENTO PORTLAND
INTRODUCCION.
Es un aglomerante hidrófilo, resultante de la calcinación de rocas calizas, areniscas y arcillas, de manera de obtener un polvo muy fino que en presencia de agua endurece adquiriendo propiedades resistentes y adherentes)
Como ya se mencionó en el Capítulo 1, el nombre proviene de la similitud en apariencia y el efecto publicitario que pretendió darle en el año 1824 Joseph Apsdin un constructor inglés, al patentar un proceso de calcinación de caliza arcillosa que producía un cemento que al hidratarse adquiría según él, la misma resistencia que la piedra de la isla de Portland cerca del puerto de Dorset.
Es en 1845 cuando se desarrolla el procedimiento industrial del cemento Portland moderno que con algunas variantes persiste hasta nuestros días y que consiste en moler rocas calcáreas con rocas arcillosas en cierta composición y someter este polvo a temperaturas sobre los 1300 °C produciéndose lo que se denomina el clinker, constituido por bolas endurecidas de diferentes diámetros, que finalmente se muelen añadiéndoseles yeso para tener como producto definitivo un polvo sumamente fino.
FABRICACION DEL CEMENTO PORTLAND
El punto de partida del proceso de fabricación lo constituye la selección y explotación de las materias primas para su procesamiento consiguiente.
Los componentes químicos principales de las materias primas para la fabricación del cemento y las proporciones generales en que intervienen son
Componente Químico
Procedencia Usual
Oxido de Calcio (CaO)
Rocas Calizas
95%
Oxido de Sílice (SiO2)
Areniscas
Oxido de Aluminio (Al2O3)
Arcillas
Oxido de Fierro (Fe2O3)
Arcillas, Mineral de Hierro, Pirita
Oxidos de Magnesio, Sodio,
5%
Potasio, Titanio, Azufre,
Minerales Varios
Fósforo y Manganeso
Los porcentajes típicos en que intervienen en el cemento Portland los óxidos mencionados son :
Oxido Componente
Porcentaje Típico
Abreviatura
CaO
61% - 67%
C
SiO2
20% - 27%
S
Al2O3
4% - 7%
A
Fe2O3
2% - 4%
F
SO3
1% - 3%
MgO
1% - 5%
K2O y Na2O
0.25% - 1.5%
se puede apreciar un esquema general del proceso moderno de fabricación en el sistema denominado "por vía seca", que es el mas económico pues necesita menos energía, y es el de mayor empleo en nuestro medio, sin embargo hay que tener en cuenta que cada fabricante tiene una disposición de equipo particular en función de sus necesidades.
Se inicia con la explotación de las canteras de materia prima para someterlas a un proceso de chancado primario en que se reduce su tamaño a piedras del orden de 5" y luego se procesa este material en una chancadora secundaria que las reduce a un tamaño de alrededor de 3/4", con lo que están en condiciones de ser sometidas a molienda. Los materiales son molidos individualmente en un molino de bolas hasta ser convertidos en un polvo fino impalpable, siendo luego dosificados y mezclados íntimamente en las proporciones convenientes para el tipo de cemento que se desee obtener.
La mezcla es posteriormente introducida en un horno giratorio consistente en un gran cilindro metálico recubierto de material refractario con diámetros que oscilan entre 2 y 5 m. y longitudes entre 18 a 150 m.. El horno tiene una ligera inclinación con respecto a la horizontal del orden del 4 % y una velocidad de rotación entre 30 a 90 revoluciones por hora. Dependiendo del tamaño del horno, se pueden producir diariamente de 30 a 700 Toneladas. La fuente de calor se halla en el extremo opuesto al ingreso del material y pueden obtenerse mediante inyección de carbón pulverizado, petróleo o gas en ignición, con temperaturas máximas entre 1,250 y 1,900 °C.
Las temperaturas desarrolladas a lo largo del horno producen primero la evaporación del agua libre, luego la liberación del CO2 y finalmente en la zona de mayor temperatura se produce la fusión de alrededor de un 20% a 30% de la carga y es cuando la cal, la sílice y la alúmina se vuelven a combinar aglomerándose en nódulos de varios tamaños usualmente de 1/4" a 1" de diámetro de color negro característico, relucientes y duros al enfriarse, denominados "clinker de cemento Portland".
En la etapa final del proceso, el clinker es enfriado y es molido en un molino de bolas conjuntamente con yeso en pequeñas cantidades ( 3 a 6%) para controlar el endurecimiento violento. La molienda produce un polvo muy fino que contiene hasta 1.1 X 10 12 partículas por Kg. y que pasa completamente por un tamiz No 200 (0.0737 mm., 200 aberturas por pulgada cuadrada).Finalmente el cemento pasa ser almacenado a granel, siendo luego suministrado en esta forma o pesado y embolsado para su distribución.
En el proceso húmedo la materia prima es molida y mezclada con agua formando una lechada que es introducida al horno rotatorio siguiendo un proceso similar al anterior pero con mayor consumo de energía para poder eliminar el agua añadida. El proceso a usarse depende de las características de las materias primas, economía y en muchos casos por consideraciones de tipo ecológico ya que el proceso húmedo es menos contaminante que el seco.
Durante todos los procesos el fabricante ejecuta controles minuciosos para asegurar tanto la calidad y proporciones de los ingredientes como las temperaturas y propiedades del producto final, para lo que existen una serie de pruebas físicas y químicas estandarizadas, así como equipo de laboratorio desarrollado específicamente para estas labores.
se pueden observar las fuentes de materias primas de las cuales es posible obtener los componentes para fabricar cemento, en que se aprecia la gran variedad de posibilidades existentes en la naturaleza para poder producir este material.
COMPOSICION DEL CEMENTO PORTLAND.
Luego del proceso de formación del clinker y molienda final, se obtienen los siguientes compuestos establecidos por primera vez por Le Chatelier en 1852, y que son los que definen el comportamiento del cemento hidratado y que detallaremos con su fórmula química, abreviatura y nombre corriente
a) Silicato Tricálcico (3CaO.SiO2 --> C3S--> Alita-
Define la resistencia inicial (en la primera semana) y tiene mucha importancia en el calor de hidratación.
b) Silicato Dicálcico (2CaO.SiO2--> C2S--> Belita).-
Define la resistencia a largo plazo y tiene incidencia menor en el calor de hidratación.
c) Aluminato Tricálcico (3CaO.Al2O3)--> C3A).-
Aisladamente no tiene trascendencia en la resistencia, pero con los silicatos condiciona el fraguado violento actuando como catalizador, por lo que es necesario añadir yeso en el proceso (3% - 6%) para controlarlo.
Es responsable de la resistencia del cemento a los sulfatos ya que al reaccionar con estos produce Sulfoaluminatos con propiedades expansivas, por lo que hay que limitar su contenido.
d) Alumino-Ferrito Tetracálcico (4CaO.Al2O3.Fe2O3-->C4AF--Celita).-
Tabla 3.1 .- Fuentes de materias primas usadas en la fabricación
de cemento portland. ( Ref. 3.3 )
Cal
Sílice
Alúmina
SaO
SiO2
Al2O3
Aragonita
Arcilla
Arcilla calcárea (Marga)
Calcita
Conchas marinas
Deshechos alcalinos
Escorias
Mármol
Piedra Caliza
Pizarras
Polvo residuo de clinker
Roca calcárea
Tiza
Arcilla
Arcilla calcárea (Marga)
Arena
Areniscas
Basaltos
Cenizas Volátiles
Cenizas de cáscara de
arroz.
Cuarcita
Escorias
Piedras calizas
Roca calcárea
Silicato de calcio
Arcilla
Arcilla calcárea (Marga)
Bauxita
Cenizas volátiles
Deshechos de mineral
de aluminio.
Escoria de cobre
Escorias
Estaurolita
Granodioritas
Piedra caliza
Pizarras
Residuos de lavado de
mineral de aluminio
Roca calcárea
Hierro
Yeso
Magnesia
Fe2O3
CaSO4.2H2O
MgO
Arcilla
Ceniza de altos hornos
Escoria de pirita
Laminaciones de hierro
Mineral de hierro
Pizarras
Residuos de lavado de
mineral de hierro
Anhidrita
Sulfato de calcio
Yeso natural
Escorias
Piedra caliza
Roca calcárea
Tiene trascendencia en la velocidad de hidratación y secundariamente en el calor de hidratación.
e) Oxido de Magnesio (MgO).-
Pese a ser un componente menor, tiene importancia pues para contenidos mayores del 5% trae problemas de expansión en la pasta hidratada y endurecida.
f) Oxidos de Potasio y Sodio (K2O,Na2O-->Alcalis).-
Tienen importancia para casos especiales de reacciones químicas con ciertos agregados, y los solubles en agua contribuyen a producir eflorescencias con agregados calcáreos.
g) Oxidos de Manganeso y Titanio (Mn2O3,TiO2).-
El primero no tiene significación especial en las propiedades del cemento , salvo en su coloración, que tiende a ser marrón si se tienen contenidos mayores del 3%. Se ha observado que en casos donde los contenidos superan el 5% se obtiene disminución de resistencia a largo plazo.(Ref.3.2)
El segundo influye en la resistencia, reduciéndola para contenidos superiores a 5%. Para contenidos menores, no tiene mayor trascendencia.
De los compuestos mencionados, los silicatos y aluminatos constituyen los componentes mayores, pero no necesariamente los mas trascendentes, pues como veremos posteriormente algunos de los componentes menores tienen mucha importancia para ciertas condiciones de uso de los cementos.
LAS FORMULAS DE BOGUE PARA EL CALCULO DE LA COMPOSICION POTENCIAL DE LOS CEMENTOS.
En 1929 como consecuencia de una serie de investigaciones experimentales, el químico R.H.Bogue establece las fórmulas que permiten el cálculo de los componentes del cemento en base a conocer el porcentaje de óxidos que contiene, habiendo sido asumidas como norma por ASTM C-permitiendo una aproximación práctica al comportamiento potencial de cualquier cemento Portland normal no mezclado.
A continuación estableceremos las fórmulas de Bogue debiendo tenerse claro que se basan en las siguientes hipótesis :
¨ Los compuestos tienen la composición exacta.(No es del todo cierto pues en la práctica tienen impurezas).
¨ El equilibrio se obtiene a la temperatura de formación del clinker y se mantiene durante el enfriamiento.(En la práctica, las fórmulas sobrestiman el contenido de C3A y C2S)
FORMULAS DE BOGUE (Composición Potencial) :
Si Al2O3/Fe2O3 ≥ 0.64 :
C3S = 4.071CaO - 7.6SiO2 - 6.718Al2O3 - 1.43Fe2O3 - 2.852SO3
C2S = 2.867SiO2 - 0.7544C3S
C3A = 2.65Al2O3 - 1.692Fe2O3
C4AF = 3.04Fe2O3
Si Al 2O3/Fe2O3 < 0.64 se forma (C4AF+C2AF) y se calcula:
(C4AF+C2AF) = 2.1Al2O3 + 1.702Fe2O3
y en cuyo caso el Silicato Tricálcico se calcula como:
C3S = 4.071CaO - 7.6SiO2 - 4.479Al2O3 - 2.859Fe2O3 - 2.852SO3
(En estos cementos no hay C3A por lo que la resistencia a los sulfatos es alta; el C2S se calcula igual)
Las variantes en cuanto a las proporciones de estos compuestos son las que definen los tipos de cementos que veremos mas adelante, y la importancia práctica de las fórmulas de Bogue es que permiten evaluar cual será la composición potencial probable y compararla con los valores standard para cada tipo de cemento, pudiendo estimarse las tendencias de comportamiento en cuanto a las características que nos interesan desde el punto de vista del concreto, como son desarrollo de resistencia en el tiempo, calor de hidratación, resistencia a la agresividad química etc.
MECANISMO DE HIDRATACION DEL CEMENTO.
Se denomina hidratación al conjunto de reacciones químicas entre el agua y los componentes del cemento, que llevan consigo el cambio del estado plástico al endurecido, con las propiedades inherentes a los nuevos productos formados. Los componentes ya mencionados anteriormente, al reaccionar con el agua forman hidróxidos e hidratos de Calcio complejos.
La velocidad con que se desarrolla la hidratación es directamente proporcional a la finura del cemento e inversamente proporcional al tiempo, por lo que inicialmente es muy rápida y va disminuyendo paulatinamente con el transcurso de los días, aunque nunca se llega a detener.
Contrariamente a lo que se creía hace años, la reacción con el agua no une las partículas de cemento sino que cada partícula se dispersa en millones de partículas de productos de hidratación desapareciendo los constituyentes iniciales. El proceso es exotérmico generando un flujo de calor hacia el exterior denominado calor de hidratación.
Dependiendo de la temperatura, el tiempo, y la relación entre la cantidad de agua y cemento que reaccionan, se pueden definir los siguientes estados que se han establecido de manera arbitraria para distinguir las etapas del proceso de hidratación :
a) Plástico.-
Unión del agua y el polvo de cemento formando una pasta moldeable. Cuanto menor es la relación Agua/Cemento, mayor es la concentración de partículas de cemento en la pasta compactada y por ende la estructura de los productos de hidratación es mucho mas resistente.
El primer elemento en reaccionar es el C3A , y posteriormente los silicatos y el C4AF , caracterizándose el proceso por la dispersión de cada grano de cemento en millones de partículas. La acción del yeso contrarresta la velocidad de las reacciones y en este estado se produce lo que se denomina el período latente o de reposo en que las reacciones se atenúan, y dura entre 40 y 120 minutos dependiendo de la temperatura ambiente y el cemento en partícula. En este estado se forma hidróxido de calcio que contribuye a incrementar notablemente la alcalinidad de la pasta que alcanza un Ph del orden de 13.
b) Fraguado inicial.-
Condición de la pasta de cemento en que se aceleran las reacciones químicas, empieza el endurecimiento y la pérdida de la plasticidad, midiéndose en términos de la resistencia a deformarse. Es la etapa en que se evidencia el proceso exotérmico donde se genera el ya mencionado calor de hidratación, que es consecuencia de las reacciones químicas descritas.
Se forma una estructura porosa llamada gel de Hidratos de Silicatos de Calcio (CHS o Torbemorita), con consistencia coloidal intermedia entre sólido y líquido que va rigidizándose cada vez mas en la medida que se siguen hidratando los silicatos.
Este período dura alrededor de tres horas y se producen una serie de reacciones químicas que van haciendo al gel CHS mas estable con el tiempo.
En esta etapa la pasta puede remezclarse sin producirse deformaciones permanentes ni alteraciones en la estructura que aún está en formación.
c) Fraguado Final.-
Se obtiene al término de la etapa de fraguado inicial, caracterizándose por endurecimiento significativo y deformaciones permanentes. La estructura del gel está constituida por el ensamble definitivo de sus partículas endurecidas.
d) Endurecimiento.-
Se produce a partir del fraguado final y es el estado en que se mantienen e incrementan con el tiempo las características resistentes. La reacción predominante es la hidratación permanente de los silicatos de calcio, y en teoría continúa de manera indefinida.
Es el estado final de la pasta, en que se evidencian totalmente las influencias de la composición del cemento. Los sólidos de hidratación manifiestan su muy baja solubilidad por lo que el endurecimiento es factible aún bajo agua.
Hay dos fenómenos de fraguado, que son diferentes a los descritos; el primero corresponde al llamado "Fraguado Falso" que se produce en algunos cementos debido al calentamiento durante la molienda del clinker con el yeso, produciéndose la deshidratación parcial del producto resultante, por lo que al mezclarse el cemento con el agua, ocurre una cristalización y endurecimiento aparente durante los 2 primeros minutos de mezclado, pero remezclando el material, se recobra la plasticidad, no generándose calor de hidratación ni ocasionando consecuencias negativas. El segundo fenómeno es el del "fraguado violento" que ocurre cuando durante la fabricación no se ha añadido la suficiente cantidad de yeso, lo que produce un endurecimiento inmediato, desarrollo violento del calor de hidratación y pérdida permanente de la plasticidad , sin embargo es muy improbable en la actualidad que se produzca este fenómeno, ya que con la tecnología moderna el yeso adicionado se controla con mucha precisión.
ESTRUCTURA DEL CEMENTO HIDRATADO.
Durante el proceso de hidratación, el volumen externo de la pasta se mantiene relativamente constante, sin embargo, internamente el volumen de sólidos se incrementa constantemente con el tiempo, causando la reducción permanente de la porosidad, que está relacionada de manera inversa con la resistencia de la pasta endurecida y en forma directa con la permeabilidad.
Para que se produzca la hidratación completa se necesita la suficiente cantidad de agua para la reacción química y proveer la estructura de vacíos o espacio para los productos de hidratación, la temperatura adecuada y tiempo, desprendiéndose de aquí el concepto fundamental del curado, que consiste en esencia en procurar estos tres elementos para que el proceso se complete.
Un concepto básico que nos permitirá entender el comportamiento del concreto, reside en que el volumen de los productos de hidratación siempre es menor que la suma de los volúmenes de agua y cemento que los originan debido a que por combinación química el volumen de agua disminuye en alrededor de un 25%, lo que trae como consecuencia la contracción de la pasta endurecida. Los productos de hidratación necesitan un espacio del orden del doble del volumen de sólidos de cemento para que se produzca la hidratación completa.
Otro concepto importante que hay que tomar en cuenta es que está demostrado que el menor valor de la relación Agua/Cemento para que se produzca la hidratación completa del cemento es del orden de 0.35 a 0.40 en peso para condiciones normales de mezclado y sin aditivos, dependiendo la relación precisa de cada caso particular.
En la, se puede apreciar como ilustración un esquema típico de la estructura de la pasta de cemento y de la distribución del agua, distinguiéndose las siguientes partes :
a) Gel de Cemento.-
Constituido por los sólidos de hidratación (Hidratos de Silicatos de Calcio); el agua contenida en el gel, es la denominada agua de combinación, que no es evaporable por ser intrínseca de la reacción química.
b) Poros de Gel.-
Espacios tan pequeños entre los sólidos de hidratación que no permiten la formación en su interior de nuevos sólidos de hidratación. El agua contenida dentro de estos poros se llama el agua de gel, que puede evaporarse bajo condiciones especiales de exposición.
c) Poros Capilares.-
Conformados por los espacios entre grupos de sólidos de hidratación de dimensiones que ofrecen espacio para la formación de nuevos productos de hidratación, denominándose agua capilar a la contenida en ellos.
Para comprender mejor la manera como se distribuyen los diferentes componentes de la estructura de la pasta de cemento hidratado, estableceremos algunas relaciones que nos permitirán calcularlos en un caso particular, para lo cual vamos a considerar inicialmente un sistema en el que no hay pérdida de agua por evaporación ni ingresa agua adicional por curado :
Sea :
Pac = Peso del agua de combinación
Pch = Peso del cemento a hidratarse
Vac = Volumen del agua de combinación =Pac/Pch
Se tiene que :
Pac = 0.23 Pch ......................(1)
(Relación promedio determinada experimentalmente )
Sea :
Cv = Contracción en volumen debida a la hidratación
Ga = Gravedad específica del agua
Hemos mencionado que el agua de combinación se contrae 25% luego :
Cv = 0.25 x Pac/Ga = 0.25 x 0.23 Pch/Ga
Cv = 0.0575 Pch/Ga ..................... (2)
Sea :
Vsh = Volumen de los sólidos de hidratación = Pch/Gc
Gc = Gravedad específica del cemento
Se tiene que :
Vsh = Pch/Gc + Vac - Cv ..........(3)
Reemplazando (1) y (2) en (3) se obtiene :
Vsh = (1/Gc + 0.1725/Ga)Pch ..........(4)
Por otro lado :
Po = Porosidad de la pasta hidratada
Vag = Volumen del agua de gel
Se define :
Po = Vag/(Vsh + Vag) (5)
Reemplazando (4) en (5) y despejando obtenemos :
Vag = [(Po/(1-Po))x(1/Gc +0.1725/Ga)] Pch (6)
Sea :
Vad = Volumen de agua disponible para hidratación
Tenemos que :
Vad = Vac + Vag ....................................(7)
Reemplazando (1) y (6) en (7) y despejando se deduce :
Pch =..Vadx1/[(0.23/Ga+(Po(1-Po))x(1/Gc+0.1725/Ga)].(8)
Finalmente, se define :
Vcsh = Volumen de cemento sin hidratar
Pcd = Peso de cemento disponible
Vcv = Volumen de capilares vacíos
Y se tiene que :
Vcsh = Pcd/Gc - Pch/Gc ...........................(9)
Vcv = Pcd + Vad - Vsh - Vag - Vcsh ............(10)
Con estas relaciones hemos elaborado la que muestra las variaciones en los componentes de la estructura de la pasta de 100 gr. de cemento con diversas cantidades de agua disponible para hidratación habiéndose asumido los siguientes parámetros típicos :
Gc = Gravedad específica del cemento = 3.15
Ga = Gravedad específica del agua = 1.00
Po = Porosidad de la pasta hidratada = 0.28
Se puede apreciar que para valores muy bajos de la relación Agua/Cemento la hidratación se detiene por falta de agua para hidratar totalmente la cantidad de cemento disponible, quedando cemento sin hidratar y vacíos capilares que tienen capacidad de permitir ingreso de agua adicional y espacio para que se desarrollen mas sólidos de hidratación.
sus productos de hidratación, luego, existen relaciones Agua/Cemento para las cuales por mas agua extra que proveamos, no se producirá la hidratación total del cemento.
Vemos también que para condiciones normales como las asumidas, en que la pasta dispone únicamente del agua de mezcla inicial, se necesita una relación Agua/Cemento mínima del orden de 0.42, y si se provee agua de hidratación extra, la relación mínima es del orden de 0.38.
Con los valores de la se han elaborado las 5 donde se gráfica a título explicativo el % de hidratación y el % de cemento no hidratado en función de la relación Agua/Cemento, así como los vacíos capilares obtenidos.
Hay que tener presente, que pese a que para relaciones Agua/Cemento inferiores a las que producen el 100 % de hidratación, aún queda cemento sin hidratar, la estructura es mas compacta con menor cantidad de vacíos, por lo que se obtienen en la práctica características resistentes mas altas pese a no contarse con toda la pasta hidratada; sin embargo para lograr la hidratación máxima que es posible alcanzar con relaciones Agua/Cemento muy bajas, se necesitan condiciones de mezclado especiales que ameritan incremento de presión y energía en la compactación ya que de otro modo no se logra hidratar lo previsto. En la practica, con las condiciones de mezclado normales se consigue llegar a relaciones Agua/Cemento mínimas en la pasta del orden de 0.25 a 0.30 dependiendo del tipo de cemento y las condiciones de temperatura, humedad, presión y técnica de mezclado. Bajo condiciones especiales, se han llegado a obtener pastas en laboratorio con relaciones Agua/Cemento tan bajas como 0.08 (Ref.3.6)
TIPOS DE CEMENTO Y SUS APLICACIONES PRINCIPALES.
Los Tipos de cementos portland que podemos calificar de standard, ya que su fabricación está normada por requisitos específicos son (Ref. 3.5):
Tipo I .- De uso general, donde no se requieren propiedades especiales.
Tipo II .- De moderada resistencia a los sulfatos y moderado calor de hidratación. Para emplearse en estructuras con ambientes agresivos y/o en vaciados masivos.
Tipo III.- Desarrollo rápido de resistencia con elevado calor de hidratación. Para uso en clima frío ó en los casos en que se necesita adelantar la puesta en servicio de las estructuras.
Tipo IV.- De bajo calor de hidratación. Para concreto masivo.
Tipo V.- Alta resistencia a los sulfatos. Para ambientes muy agresivos.
Cuando a los tres primeros tipos de cemento se les adiciona el sufijo A (p.e Tipo IA) significa que son cementos a los que se les ha añadido incorporadores de aire en su composición, manteniendo las propiedades originales.
Es interesante destacar los cementos denominados "mezclados ó adicionados" dado que algunos de ellos se usan en nuestro medio:
Tipo IS .- Cemento al que se ha añadido entre un 25% a 70% de escoria de altos hornos referido al peso total.
Tipo ISM .- Cemento al que se ha añadido menos de 25% de escoria de altos hornos referido al peso total.
Tipo IP .- Cemento al que se le ha añadido puzolana en un porcentaje que oscila entre el 15% y 40% del peso total.
Tipo IPM .- Cemento al que se le ha añadido puzolana en un porcentaje hasta del 15% del peso total.
Todos estos cementos tienen variantes en que se les añade aire incorporado (sufijo A), se induce resistencia moderada a los sulfatos (sufijo M), ó se modera el calor de hidratación (sufijo H).
Las puzolanas son materiales inertes silíceos y/o aluminosos, que individualmente tienen propiedades aglomerantes casi nulas, pero que finamente molidas y al reaccionar químicamente con hidróxidos de Calcio y agua adquieren propiedades cementantes. Las puzolanas se obtienen por lo general de arcillas calcinadas, tierras diatomáceas, tufos y cenizas volcánicas, y de residuos industriales como cenizas volátiles, ladrillo pulverizado, etc.
La particularidad del reemplazar parte del cemento por estos materiales, estriba en cambiar algunas de sus propiedades, como son el aumentar los tiempos de duración de los estados mencionados anteriormente, retrasar y/o disminuir el desarrollo de resistencia en el tiempo, reducir la permeabilidad, mayor capacidad para retener agua, mayor cohesividad, incremento de los requerimientos de agua para formar la pasta, menor calor de hidratación y mejor comportamiento frente a la agresividad química.
Hay que tener muy presente que la variación de estas propiedades no siempre será conveniente dependiendo del caso particular, por lo que no se puede tomar a los cementos puzolánicos ó la inclusión de puzolana como una panacea, ya que son muy sensibles a las variaciones de temperatura los procesos constructivos y las condiciones de curado.
Para fines de diseño de mezclas hay que tener en cuenta que los cementos standard tienen un peso específico del orden de 3,150 kg/m3 y los cementos puzolánicos son mas livianos con pesos específicos entre 2,850 y 3,000 kg/m3.
En las que se pueden apreciar comportamientos típicos de los cementos básicos, relativos al desarrollo de resistencia en el tiempo y calor de hidratación.
En la se pueden apreciar los requisitos físicos y químicos de fabricación establecidos por las normas ASTM C-150 para los cementos standard nombrados, y en las. se consignan estadísticas de variación de los componentes de los diversos tipos de cemento normales en U.S.A. e Inglaterra, donde se concluye pues en que la elasticidad en las normas de fabricación admite variaciones que si bien no deben influir en las resistencias finales exigidas, si pueden ocasionar comportamientos variables en el tiempo.
LOS CEMENTOS PERUANOS Y SUS CARACTERISTICAS.
En la actualidad se fabrican en el Perú los cementos Tipo I, Tipo II, Tipo V, Tipo IP y Tipo IPM.
En las se pueden observar las características físicas y químicas de los cementos de fabricación nacional suministradas por los fabricantes, con excepción del Cemento Rumi, cuyo productor no accedió a proporcionarlas, pese a nuestra insistencia, por lo que se consigna un análisis efectuado a solicitud del autor en la Universidad Católica del Perú con ocasión del empleo de este material durante la construcción del Aeropuerto de Juliaca, en el cual se obtienen resultados bastante irregulares para un Cemento Tipo I, que no obstante deben tomarse con reserva pues sólo representan una muestra.
En las, se han graficado las Resistencias vs Tiempo para los diferentes cementos peruanos en base a la información suministrada entre Enero y Abril de 1,993.
Es interesante anotar que en general los cementos nacionales siguen los comportamientos típicos a largo plazo que es factible esperar de cementos similares fabricados en el extranjero, sin embargo la experiencia en el uso de ellos y la variabilidad que se puede apreciar en los análisis y gráficos mostrados nos permite afirmar que las propiedades a corto plazo no siempre mantienen parámetros constantes, por lo que nunca debe confiarse a priori en ellas sin efectuar pruebas de control para el caso de obras de cierta importancia.
Por otro lado, los fabricantes locales tienen mucha experiencia en la elaboración de cemento, pero ninguno la tiene en la aplicación práctica de este material en la producción de concreto dado que muy rara vez recopilan estos datos, o hacen investigación en concreto, por lo que es muy poca la información que pueden aportar en ese sentido y además, hay usualmente reticencia para suministrar resultados de sus controles de calidad en forma rutinaria. Sin embargo debemos agradecer la colaboración prestada por los productores que accedieron a suministrar e incluir en el presente libro los datos proporcionados .
No existe información periódica publicada por los fabricantes sobre aspectos básicos como la variación del desarrollo de la resistencia tiempo, variación de la hidratación en función de las condiciones ambientales, características de las puzolanas que emplean en los cementos mezclados, estadísticas de los controles interlaboratorios que realizan, etc.
Información que sería sumamente útil para los usuarios é investigadores, evitando muchas situaciones en que se espera un comportamiento por extrapolación con información foránea o con información local incompleta y se obtiene otro por falta de datos confiables.
Como comentario adicional habría que decir que la introducción de los cementos Puzolánicos y Puzolánicos modificados en nuestro medio ha traído beneficios desde el punto de vista que tienen ventajas referidas a durabilidad, además de ser ventajosos para el fabricante pues al reemplazar cemento por puzolana abarata sus costos y los precios de venta experimentan alguna reducción, pero estas ventajas no son del todo aprovechadas por cuanto no ha habido suficiente investigación, difusión y labor didáctica en cuanto a las consideraciones para su dosificación, lo que trae como consecuencia deficiencias en su utilización por parte del usuario.
Normalmente se supone que los diseños con estos cementos requieren igual cantidad de agua que los normales, lo cual en la práctica no es cierto, pues algunos de ellos necesitan hasta 10% mas de agua y tienen consistencia cohesiva que amerita mayor energía en la compactación con lo que a la larga la supuesta economía no es tanta.
En el Apéndice, se incluyen copias de los datos originales suministrados por los fabricantes en 1993 y 1996, que incluyen información adicional a la consignada en las tablas y que puede ser de utilidad para quien esté interesado en profundizar sobre estos aspectos.
CONDICIONES DE CONTROL Y ALMACENAJE EN OBRA Y SUS CONSECUENCIAS.
Lo ya mencionado en relación a los cementos nacionales nos hace reflexionar en la necesidad de tratar en lo posible de hacer en obra un seguimiento estadístico del tiempo y condiciones de almacenaje, así como de la calidad del cemento que se emplea.
Una buena práctica la constituye el ejecutar análisis químicos en un laboratorio confiable cada 500 Toneladas de cemento para el caso de obras grandes, y solicitar regularmente a los fabricantes certificados con resultados de su control de calidad. En ningún caso la muestra que se obtenga debe ser menor de 5 Kg.
En cuanto a las condiciones de almacenaje, es recomendable limpiar con frecuencia los silos metálicos de depósito sobre todo en climas de humedad relativa alta, pues se produce hidratación parcial del cemento adherido a las paredes, y que con el uso del silo ocasiona que se desprendan trozos endurecidos y se mezclen con el cemento fresco causando problemas en la uniformidad de la producción del concreto.
En el caso de cemento en bolsas el concepto es similar en cuanto a protegerlas de la humedad, bien sea aislándolas del suelo o protegiéndolas en ambientes cerrados.
Una manera práctica de evaluar si ha habido hidratación parcial del cemento almacenado, consiste en tamizar una muestra por la malla No 100, según la Norma ASTM C-184, pesando el retenido, el cual referido al peso total, nos da un orden de magnitud de la porción hidratada. El porcentaje retenido sin haber hidratación oscila usualmente entre 0 y 0.5%.
Si recordamos los conceptos referidos al mecanismo de hidratación podemos estimar que si usamos cemento parcialmente hidratado, estaremos sustituyendo en la práctica una parte del agregado por cemento endurecido con características resistentes inciertas y definitivamente inferiores a la de la arena y la piedra, que causará zonas de estructura débil, cuya trascendencia será mayor cuanto mayor sea la proporción de estas partículas.
Se puede estimar que el empleo de cemento hidratado en un 30% referido al peso total, con gránulos no mayores de 1/4" trae como consecuencia una reducción en la resistencia a 28 días del orden del 25%, dependiendo del cemento en particular. Es obvio que porcentajes hidratados mayores, con partículas de tamaño superior a 1/4" ocasionarán perjuicios mas negativos en la resistencia y durabilidad.
Finalmente hay que aclarar que en cuanto al almacenaje, el criterio correcto para evaluar la calidad del cemento no es el tiempo que ha estado almacenado sino las condiciones de hidratación del cemento al cabo de ese período, por lo que lo aconsejable es tomar las previsiones para evitar o retrasar la hidratación desde un inicio, en vez de dejar pasar el tiempo sin ninguna precaución y entrar luego en las complicaciones de evaluar si estará apto o no para usarse .
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Lea Frederik.- "The Chemistry of Cement and Concrete".- Edward Arnold Publishers - London 1988.
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