el cemento

Materiales de la Construcción

EL CEMENTO

INTRODUCCION

El cemento se inventó hace aproximadamente 2000 años por los romanos, de forma totalmente fortuita, como ha ocurrido con otros inventos. Al hacer fuego en un agujerorecubierto de piedras, consiguieron deshidratar y descarbonatar parcialmente laspiedras calcáreas o el yeso, convirtiéndolas en polvo que se depositó entre las piedras.

Al llover, dicho polvo unió las piedras entre si. Los egipcios utilizaron un cementofabricado con yeso impuro calcinado, que sirvió para unir los bloques de piedra en laconstrucción de las pirámides. El secreto de la durabilidad del cemento se perdió y enla Edad Media tan solo fue posible fabricar cemento de mediana calidad. En 1756,Smeaton descubrió que los mejores cementos se obtenían al mezclar caliza con un 20-25% de materia arcillosa. En 1845, Johnson fijó las proporciones de materias primas autilizar, así como la temperatura de cocción, con lo que se asistió al inicio de laindustria de cemento Portland. Dicho nombre le fue dado por su similitud con la piedrade Portland. Actualmente, hay tres procesos de fabricación de cemento que utilizanhornos rotativos desarrollados en Inglaterra en 1855: vía seca, vía seca conprecalentamiento / pre calcinación y vía húmeda.

HISTORIA DEL CEMENTO

Desde la antigüedad se usaba la arcilla, yeso y cal para unir edificaciones, pero fue en grecia donde empezó a usarse tobas volcánicas extraídas de una isla (santorini), los primeros cementos naturales.

Ciertos tipos de cemento que se fraguan y endurecen con el agua se conocían desde la antigüedad, solo desde mediados del siglo XVIII fue empleado como cemento hidráulico. El termino cemento portland se empleó por primera vez en 1824 por Joseph Apsdin, un fabricante de cemento inglés, denominado asi por su color gris verdoso oscuro similar a la piedra portland que se utilizaba para la construcción en Inglaterra. En aquellas épocas se fabricaban en hornos verticales, esparciendo las materias primas sobre capas de coque a las que se prendía fuego. El primer cemento portland moderno, hecho de piedra caliza y arcillas o pizarra, calentadas hasta convertirse en carbonilla (o escoria) y luego trituradas fue producido en gran Bretaña (1845) por Isaac Johnson. 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.

DEFINICION

Es un aglomerante hidrófilo, resultante de la calcinación de rocas calizas, areniscas y arcillas, de madera de obtener un polvo muy fino que en presencia de agua endurece adquiriendo propiedades resistentes y adherentes.

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COMPONENTES DEL CEMENTO PORTLAND

1. 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 Clinker 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 más 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).

2. 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 SiO2 y Al2O3.

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.

4. Adiciones (Puzolana, escoria, etc.)

Las puzolanas son materiales silíceos o aluminio -silíceos quienes por sí solos poseen poco o ningún valor cementante, pero cuando se han dividido finamente y están en presencia de agua reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio a temperatura ambiente para formar compuestos con propiedades cementantes.

Los principales tipos de puzolanas son:

Puzolanas Naturales

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Rocas volcánicas, en las que el constituyente amorfo es vidrio producido por enfriamiento brusco de la lava. Por ejemplo las cenizas volcánicas, la piedra pómez, las tobas, la escoria.

Rocas o suelos en las que el constituyente silíceo contiene ópalo1,4, ya sea por la precipitación de la sílice de una solución o de los residuos de organismos de lo cual son ejemplos las tierras de diatomeas1,5, o las arcillas calcinadas por vía natural a partir de calor o de un flujo de lava.

Puzolanas Artificiales Cenizas volantes: Las cenizas que se producen en la combustión de carbón

mineral, fundamentalmente en las plantas térmicas de generación de electricidad. Arcillas activadas o calcinadas artificialmente: Por ejemplo residuos de la quema

de ladrillos de arcilla y otros tipos de arcilla que hayan estado sometidas a temperaturas superiores a los 800 ºC.

Escorias de fundición: Principalmente de la fundición de aleaciones ferrosas en altos hornos. Estas escorias deben ser violentamente enfriadas para lograr que adquieran una estructura amorfa.

5. Correctores

Muchas veces es necesario equilibrar determinados componentes (óxidos) empleando otros materiales que contengan el óxido que se desea corregir.

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PROPIEDADES DEL CEMENTO PORTLAND

1. Calor de hidratación

Se llama calor de hidratación al calor que se desprende durante la reacción que se produce entre el agua y el cemento al estar en contacto, el contacto se puede llevar a cabo aún si el agua está en forma de vapor, por lo que es muy importante que el cemento esté protegido del medio ambiente ya sea en sacos o en silos, hasta el momento en que se le mezcle con el agua. El calor de hidratación que se produce en un cemento normal es del orden de 85 a 100 cal/g.

La Tabla 6.3 presenta una apreciación cualitativa de la participación de los compuestos principales del cemento Portland en la rapidez de reacción con el agua y en el calor de hidratación por unidad de compuesto.

Tabla 6.3. Los Compuestos Principales del Cemento en el Calor de Hidratación.

Propiedad Participación de cada compuestoC3A C4AF C3S C2S

Grado de reacciónCalor liberado

Rápido Lento Mediano LentoGrande Pequeño Mediano Pequeño

2. Finura del cemento

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La finura del cemento depende del tiempo de molido del Clinker, la finura del cemento se mide en metros cuadrados por Kg, como se ha mencionado, en un cemento normal la superficie específica puede estar alrededor de 200 m2/kg. Una finura alta favorece la hidratación rápida del cemento y al mismo tiempo favorece también una generación rápida de calor. Para la industria cementera una finura alta representa invariablemente un mayor costo de molienda, por lo que el tratamiento sólo se justifica en el caso de que se pretenda producir un cemento especial de resistencia rápida, por ejemplo, la finura en cementos de ultra rápida resistencia se deben alcanzar finuras del orden de 700-900 m2/kg. En un cemento tipo III la finura se encuentra alrededor de los 300 m2/kg. Las cifras anteriores corresponden a resultados obtenidos con el método Blaine, ya que las cifras varían dependiendo del método empleado en su determinación. La finura del cemento también puede ser estimada por cribado, detectando el porcentaje de material que pasa la malla No 200, esto sin embargo, no es suficiente para tener una idea de la superficie específica que tiene dicho cemento.

3. Densidad del cemento

La densidad relativa del cemento varía entre 3.10 y 3.15 (un volumen de cemento pesa3.15 veces más que un volumen igual de agua), esto hace del cemento el ingrediente más pesado de los empleados en la elaboración del concreto o de otros productos derivados del cemento. Sin embargo una vez que el cemento entra en contacto con el agua, los productos de hidratación presentan densidades muy variables, por ejemplo, según experimentos realizados por T. C.Powers, la densidad relativa de los sólidos de geles igual a 2.43, y la densidad relativa del gel incluyendo los poros es de 1.76, para este último caso Powers señala que el gel incluyendo los poros ocupa 1.8 veces más espacio que el cemento sin hidratar (3.15 ÷1.76 = 1.8).

4. Endurecimiento del cemento

El endurecimiento del cemento se inicia una vez que se inicia el fraguado del cemento, la ganancia en resistencia (medida del endurecimiento) es progresiva según avanza el grado de hidratación del cemento. Como se ha mencionado el proceso de hidratación continúa siempre y cuando haya agua disponible y existan las condiciones climáticas adecuadas, esto no significa que todos los granos de cemento se hidraten, sin embargo los granos no hidratados no perjudican la resistencia alcanzada. Entonces, el endurecimiento del cemento es consecuencia de la hidratación del mismo. El endurecimiento o ganancia de resistencia del cemento hidratado se puede verificar con diversas técnicas, entre ellas tenemos las siguientes:

a) Medición del calor generado.b) Determinación de la cantidad de cal liberada [Ca (OH)2].c) Determinación de la cantidad de cemento no hidratado (análisis cuantitativo de rayos

X.d) Determinación de la cantidad de agua combinada químicamente.e) Verificación del aumento de densidad.f) Pruebas directas de resistencia.

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En forma práctica la evolución de resistencia del cemento no se verifica con pruebas realizadas sobre la pasta de cemento, en su lugar se elabora una mezcla de cemento, arena sílica y agua siguiendo normas estándar. Con el mortero se fabrican cubos, los cuales se curan y se prueban de manera estándar para obtener la resistencia a las edades especificadas según el tipo de cemento. La evolución de resistencia de los diferentes cementos considerados como convencionales (tipos I, II, III, IV y V) es diferente en los primeros días sin embargo a la larga alcanzan resistencias semejantes, esto no es una regla pues la evolución en resistencia depende de muchas variables.

La Tabla 6.4 presenta una versión aproximada de la evolución de resistencia de los diferentes cementos con relación al cemento normal tipo I. De acuerdo con esta tabla debe esperarse que a los tres meses las resistencias de todos los concretos hechos con los diferentes tipos de cemento sean iguales. Como un ejemplo de que es posible obtener diferentes resultados a los representados por la Tabla 6.4, se presenta la Figura 6.3 que en forma esquemática ilustra lo anterior.

Tabla 6.4. Evolución de Resistencia Relativa entre los Cementos Portland.

5. Sanidad del cemento

La sanidad del cemento consiste en verificar que no se producirán expansiones ocontracciones dañinas en el cemento endurecido, ya que éstas provocarían la destrucción del concreto. La no-sanidad del cemento se atribuye a la presencia de magnesia o de cal libre en cantidades excesivas. La cal o la magnesia hidratadas desarrollan con el tiempo fuerzas expansivas que afectan la pasta endurecida. Como el fenómeno toma tiempo en caso de que las sustancias mencionadas se encuentren en cantidades excesivas, se realiza normalmente una prueba acelerada, que consiste en someter barras de pasta de cemento a un curado en autoclave, en este aparato se mantiene vapor de agua a presión, con lo que se acelera la hidratación y la generación de productos sólidos, si las barras muestran expansiones mayores al0.8% se dice que el cemento no pasa la prueba de sanidad.

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FABRICACION DEL CEMENTO PORTLAND

Para la fabricación del cemento Portland hay dos sistemas que se denominan de "vía seca" y de "vía húmeda", y que prácticamente sólo difieren en la preparación de la materia prima o crudo que penetra en el horno

1. Obtención y trituración de materias primas

La extracción de casi todas las materias primas naturales implica operaciones en canteras y minas. Los materiales se obtienen normalmente a cielo abierto. Las operaciones de extracción incluyen perforación de rocas, voladuras, excavaciones, acarreo y trituración.

Tras concluir la extracción de la materia prima se pasa a trasladarla mediante palas y volquetes y transportado hasta la planta para luego ser triturada (trituración primaria). En la trituración primaria se reduce el tamaño a piedras de orden de 5” (cuando se tritura solo una vez se le llama trituración de paso único), luego se procesa este material en una chancadora secundaria que las reduce a un tamaño de alrededor de ¾” (cuando se tritura hasta alcanzar el tamaño deseado se le llama triturado en circuito cerrado).

Existen una variedad de métodos para triturar los materiales extraídos de la cantera:

Trituración por presión Triturador de mandíbulas

El desmenuzamiento del material se desarrolla entre dos mandíbulas para trituración, de lasque una es fija y la otra la mueve la presión ejercida por palancas acodadas. Las mandíbulasestán revestidas con blindajes de perfil dentado en fundición al acero templado. El marco de la máquina es de acero fundido.

La superficie de las placas de blindaje está dentada longitudinalmente. Existen varias formas de dentado. Para la trituración de materiales frágiles, duros o de dureza mediana, exige que el ángulo de los dientes sea de 90° a 100°. Para materiales muy duros y en trozos gruesos, el dentado ha de ser ondulado. Para materiales en gran tamaño y muy duros se utilizan blindajes cuyos dientes están separados.

El máximo desgaste se presenta en la parte inferior de las placas m de las mandíbulas fijas; le sigue a continuación la parte inferior de la mandíbula móvil. Las placas de blindaje están construidas de manera que es posible, después de ese desgaste, girarlas 180° de modo que la parte desgastada quede en la parte superior de la placa, con lo cual se consigue prolongar su duración.

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Otro tipo de construcción de las placas de trabajo es la forma abovedada, éstas amplían la abertura de salida. Con esto se consigue que el desgaste sea más regular y suministra una granulación más uniforme al material triturado

Trituradores giratorios, trituradores de cono

Los trituradores de cono, también llamados trituradores giratorios, desmenuzan el material entre un anillo de trituración estacionario, cónico y otro cono triturador que realiza un movimiento circular alrededor de un eje vertical apoyado por la parte inferior del cono rotatorio y dispuesto excéntricamente al cono estacionario.

En la industria del cemento, los trituradores giratorios se utilizan como desmenuzadores previos, lo mismo que los de mandíbulas. Los trituradores giratorios ofrecen de dos a tres veces los caudales correspondientes a los trituradores de mandíbulas de iguales dimensiones de boca y abertura de salida. El triturador rotatorio no tienen movimiento vacío alguno y trabaja ininterrumpidamente durante el movimiento circular de su eje.

Medido por el consumo de energía, el caudal del triturador giratorio por Kw/h es mayor que el de mandíbulas y nunca aparecen trozos planos o alargados. Frente a esto los blindajes sufren un desgaste más alto que en los de mandíbulas y no es posible el giro de 180°, 1que sí lo es en los trituradores de mandíbulas. El triturador giratorio no necesita un dispositivo especial para su alimentación.

Trituradores de cilindros

El desmenuzamiento se basa en que se consigue situar el material que se ha de tratar entre dos cilindros rotatorios y por la presión que ejercen lo trituran. Según el tipo de material que se ha de tratar, la superficie de los cilindros trituradores puede ser lisa, con nervaduras o estar provista de dentado. Según la dureza del material, las nervaduras están en la dirección del eje o transversalmente a éste.

Trituradores por choque Trituradores de martillos (de rotor sencillo o doble)

Los trituradores de martillos están ampliamente extendidos en la industria del cemento. Se utilizan para triturar calizas duras y de dureza media, e incluso muchas veces para triturar margas. Se construyen con uno o dos ejes golpeadores, que percuten el material a través de una parrilla o enrejado preparatorio que es donde descansa el material a triturar, desmenuzándolo hasta que los fragmentos pasan a través de las rendijas del emparrillado. De allí caen en la cámara de refinado de la trituradora que, por la parte inferior, está cerrada por otra parrilla formada en la mayor parte de los casos por barras de sección triangular. El material permanece en esta cámara el tiempo necesario para que, bajo el efecto del choque

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de los martillos, se desmenuce lo suficiente para poder pasar a través a través del emparrillado inferior. En una operación se alcanza así el grado definitivo de trituración. El tamaño de grava así obtenida depende de la abertura de las rendijas que dejan entre sí las barras del emparrillado inferior.

Este triturador trabaja con la fuerza de percusión de los martillos, se reducen al mínimo las masas de los martillos y para elevar su fuerza de impacto se eleva la velocidad tanto como sea posible, con lo que disminuye el desgaste.

Trituradores por impacto

En el desmenuzamiento por choque el material es lanzado a gran velocidad hacia unas placas estacionarias para choque y se estrella contra ellas. El desmenuzamiento también se realiza por percusión a cargo de los listones del rotor sobre el material, así como los choques recíprocos de trozos del material en trituración. Sólo se puede aplicar la trituración por choque a materiales pétreos quebradizos de dureza media, puesto que los materiales plásticos no se rompen mediante choque.

Las rocas duras y estables son difícilmente triturables con los trituradores de choque. Del trabajo de tales rocas comporta altos gastos de explotación y de mantenimiento y por esa razón no es rentable. Para tales situaciones son apropiados y económicos las máquinas convencionales para desmenuzar, tales como las de mandíbulas, las de cono y los trituradores de martillos.

El material triturado se lleva a la planta propiamente dicha por cintas transportadoras, depositándose en un parque de materias primas. En algunos casos se efectúa un proceso de pre-homogeneización.

2. Dosificación y pre homogenización

El material triturado es transportado a fábrica por diversos procedimientos (cintas,camiones, etc.) y depositado en los correspondientes silos en un hangar preparado al efecto. El resto de las materias primas necesarias en el proceso son así mismo almacenadas en dicho hangar una vez decepcionadas en fábricas.

A continuación se procede a la dosificación de los componentes, (algunos de los elementos de ajuste puede adicionarse posteriormente). Cabe aquí hacer una distinción entre los procesos de vía húmeda y seca ya que en aquellos se realiza una adición de agua en la totalidad o en algún componente de la mezcla hasta formar una pasta apta para ser conducida por bombas y tuberías, pudiendo completarse posteriormente esta dilución en la molienda.

Antes de pasar al proceso de molienda se tiene que homogenizar:

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3. Homogenizar

La homogeneización consiste en mezclar los distintos materiales, a tal punto que en cualquier porción de la mezcla que se tome deben estar presentes los componentes en las proporciones previstas. La homogenización se puede realizar en húmedo (vía húmeda) o en seco (vía seca) dependiendo de si se usan corrientes de aire o agua para mezclar los materiales.

4. Molienda

En este proceso se efectúa la selección de los materiales, de acuerdo al diseño de la mezcla previsto, para optimizar en material crudo que ingresara al horno, considerando el cemento de mejores características.

Con la molienda se logra reducir el tamaño de las partículas de materias para que las reacciones químicas de cocción en el horno puedan realizarse de forma adecuada. El molino muele y pulveriza los materiales hasta un tamaño medio de 0.05mm.

El material molido debe ser homogenizado para garantizar la efectividad del proceso de clinkerizacion mediante una calidad constante. Este procedimiento se efectúa en silos de homogeneización. El material resultante constituido por un polvo de gran finura debe presentar una composición química constante.

Son varios los instrumentos que se usan para moler:

Molinos de tubo

Se transforman muestras de polvo de 5mm de diámetro en polvo de hasta 0.65µ se utiliza como agente de molienda bolas de agata. Es un cilindro metálico cuyas paredes están reforzadas con material fabricado enaleaciones de acero al manganeso. Estas molduras van apernadas al casco del molino y se sustituyen cuando segastan. El molino gira y la molienda se realiza por efecto de la bolas de acero al cromo o manganeso que, al girar con elmolino, son retenidas por las ondulaciones de las molduras a una altura determinada, desde donde caen pulverizandopor efecto del impacto el material mineralizado mezclado con agua.

Molinos compound

A los trituradores Compound por choque se les llama así porque reúnen en un mismo armazón dos tipos de triturador. El rotor primario es de listones para percusión y el secundario, de martillos, provisto de martillos pendulares. El rotor secundario está dispuesto a nivel inferior que el primario.

El rotor primario sirve para la trituración previa mientras que el secundario desmenuza hasta la granulometría definitiva.

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Molinos de bolas sobre pista en anillo (molinos Peters)

Este molino se parece en su estructura a un rodamiento axial. El material a moler se encuentra en una pista en forma de artesa horizontal donde se muele mediante bolas. Las bolas son presionadas por un anillo de presión accionado por un muelle, sobre el material.

Este molino consta del recinto de molienda, separador por aire y reductor del accionamiento. En el recinto de molienda gira el anillo de molienda inferior, mientras que el superior es estacionario. Mediante muelles regulables, el anillo superior comprime las bolas de molienda que ruedan unas en contacto con las otras, dispuestas entre ambos anillos, como en un cojinete de bolas.

El material se introduce o desde arriba y por el centro, atravesando el separador de aire del molino o lateralmente a través de la carcasa del recinto de molienda y llega por acción centrífuga a las bolas de molienda. El material molido sale a la periferia del dispositivo moledor y una corriente de aire vertical lo capta y transporta al separador por aire. Las partes gruesas separadas retornan, por su peso, a la zona de molienda, mientras que los finos abandonan el molino con el aire.

5. la clinkerización

La clinkerización constituye la etapa más importante del proceso de fabricación de clínker, Los materiales homogeneizados se calientan hasta llegar a la temperatura de fusión incipiente(entre 1.400 a 1.500 ºC, parte del material se funde mientras el resto continúa en estado sólido), para que se produzcan las reacciones químicas que dan lugar a la formación de compuestos mineralógicos del clínker, para calcinar los materiales se usan hornos rotatorios.

Estos son tubos de acero montados sobre polines, revestidos interiormente por ladrillos refractarios, con una inclinación de 3 a 5%,accionados por motores que les permiten girar a una velocidad circunferencial del orden de10 metros por minuto. Su diámetro (2 a 6 metros) y longitud (50 a 200 metros) dependen de la capacidad de producción. Como combustible, se puede usar petróleo, carbón pulverizado o gas, que se inyecta con aire en la zona más baja, donde se produce la combustión.

Los gases calientes atraviesan todo el horno y son enviados hacia la chimenea, pasando antes por equipos recuperadores de calor y de polvo.

El material crudo se alimenta por la parte superior y, gracias al movimiento e inclinación del horno, se va desplazando lentamente, encontrándose cada vez con zonas de mayor temperatura.

El crudo sufre unos procesos físico-químicos a medida que va calentándose:

Secado hasta una temperatura próxima a los 150ºC. Eliminación del agua de constitución de la arcilla hasta los 500ºC.

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Des carbonatación desde 850ºC hasta unos 1.100ºC. Clinkerización entre 1.250 y 1.475°C

La serie de reacciones que se verifican a partir de los 550°C es muy compleja. De todas ellas la más importante es la formación del silicato tricálcico (C3S) y este producto sólo es estable a temperaturas superiores a los 1250°C; ésta seria la mínima temperatura requerida para la cocción del clínker. Sin embargo, en la práctica se trabaja entre los 1400 y 1500°C para que la formación de C3S sea más rápida.

6. Enfriamiento del clínker

Al salir del horno, el Clinker se debe enfriar rápidamente para evitar la descomposición del silicato tricálcico, en silicato bicálcico y cal libre:

3CaO•SiO22CaO•SiO2 + CaO

El enfriamiento se hace con aire que pasa a través de sistemas de parrilla móvil, o bien, a través de tubos planetarios que giran solidarios al horno. De estos sistemas, el Clinker sale con una temperatura inferior a 150 ºC.

7. Molienda y acabado

El Clinker a su salida del enfriador es enviado a los correspondientes silos, de donde es extraído y mezclado con el yeso y las restantes adiciones, en la calidad y proporciones adecuadas al cemento que se desea fabricar. La mezcla dosificada de componentes es molida hasta la granulometría necesaria.

La molienda se puede efectuar por:

Circuito abierto

Lapre molienda y el refino se efectúan en un solo molino,normalmente dividido en dos cámaras, estando la última dotada de un clasificadorde bolas.

Las dificultades de este sistema son, la disipación del calor latente del Clinker yde molturación, lo que requiere una fuerte ventilación del molino e incluso lainyección de agua, y la dificultad del cambio rápido a otras finuras distintas a laprefijada.

Circuito cerrado

La instalación va dotada de un separador, siendo la disposicióndel conjunto similar a la de molienda de crudo.

El separador hace posible la regulación de finura dentro de ciertos límites. Losmolinos suelen ser de dos cámaras: al igual que en el caso anterior es necesarioeliminar una gran cantidad de calor, aunque aquí se vea favorecido este hecho porla posibilidad de utilizar mayores caudales

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de aire, pero puede seguir siendonecesaria una inyección de agua. Normalmente se emplea el circuito cerrado puro,no el doble rotatorio ya que no se observan ventajas apreciables en el segundosistema y tiene en contra un mayor costo de instalación.

Salvo en lo referente al aprovechamiento de los gases no existen diferenciasesenciales entre los sistemas de molturación del crudo y del Clinker. Aquí estámás acentuada la utilización de molienda en circuito cerrado, por las mayoresexigencias de la granulometría del cemento.

En la industria de cemento, los procesos de molienda presentan un elevado ahorropotencial, habiéndose resistido no obstante su regulación a las metodologías decontrol tradicionales. Alrededor del 75% del total de la energía eléctrica invertidaen la producción del cemento corresponde a la molienda de las materias primas ydel cemento.

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TIPOS DE CEMENTO PORTLAND

1. El cemento portland tipo I

Se conoce como el cemento normal de uso común. Se emplea en todas aquellas obras para las cuales no se desea una protección especial, o las condiciones de trabajo de la obra no involucran condiciones climáticas severas ni el contacto con sustancias perjudiciales como los sulfatos. En este tipo de cemento el silicato tricálcico (C3S) se encarga de generar una notable resistencia a edades cortas, como consecuencia, genera también la mayor cantidad de calor de hidratación. Por su parte el silicato dicálcico (C2S) se encarga de generar resistencia a edades tardías. En este cemento los aluminatos se hidratan también de una forma rápida pero coadyuvan de una manera menos significativa en la resistencia final, sin embargo son compuestos potencialmente reactivos, pues en caso de la presencia de sulfatos en solución

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forman sulfoaluminatos, los cuales producen expansiones que llegan a desintegrar totalmente al concreto o a cualquier otro producto a base de cemento.

Cemento Pórtland Tipo I BA (bajo contenido de álcalis)

Características

Producto obtenido de la molienda conjunta de clinker tipo I de bajo contenido de álcalis y yeso.

Ofrece un fraguado controlado. Por su buen desarrollo de resistencias a la compresión a temprana edad, es usado en

concretos de muchas aplicaciones. Su resistencia a la compresión es mayor que la del cemento Pórtland normal.

Es versátil para muchos usos. Su comportamiento es ampliamente conocido por el sector de construcción civil en el

extranjero.

Usos y Aplicaciones

Para las construcciones en general y de gran envergadura cuando no se requiera características especiales o no se especifique otro tipo de cemento.

El acelerado desarrollo de sus resistencias iniciales permite un menor tiempo de desencofrado.

Hormigones aligerados, densos y normales. Pre-fabricados de hormigón (pre y post tensado), fabricaciones de bloques, tubos para

acueducto y alcantarillado, terrazos, adoquines. Mortero para el asentado de ladrillos, tarrajeo, enchapes de mayólicas y otros

materiales.

Consejos

Como en todo cemento, se debe respetar la relación a/c (agua/cemento) a fin de obtener un buen desarrollo de resistencia y trabajabilidad.

Es importante utilizar agregados de buena calidad, si éstos están húmedos es recomendable dosificar menor cantidad de agua para mantener las proporciones correctas.

Para lograr resistencias adecuadas es recomendable un curado cuidadososo

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Tipo IS

El cemento Pórtland de escoria de alto horno se puede emplear en las construcciones de concreto en general. Para producir este tipo de cemento, la escoria del alto horno se muele junto con el clinker de cemento Pórtland, o puede también molerse en forma separada y luego mezclarse con el cemento. El contenido de escoria varía entre el 25 y el 70% en peso.

Tipo IP y Tipo P

El cemento Pórtland IP puede ser empleado en construcciones en general y el tipo P se utiliza en construcciones donde no sean necesarias resistencias altas a edades tempranas. El tipo P se utiliza normalmente en estructuras masivas, como estribos, presas y pilas de cimentación. El contenido de puzolana

de estos cementos se sitúa entre el 15 y el 40 % en peso.

Tipo S

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El cemento tipo S, de escoria, se usa comúnmente en donde se requieren resistencias inferiores. Este cemento se fabrica mediante cualquiera de los siguientes métodos:

1) Mezclando escoria molida de alto horno y cemento Pórtland.2) Mezclando escoria molida y cal hidratada.3) Mezclando escoria molida, cemento Pórtland y cal hidratada.

El contenido mínimo de escoria es del 70% en peso del cemento de escoria

Tipo I (PM)

El cemento Pórtland tipo I (PM), modificado con puzolana, se emplea en todo tipo de construcciones de concreto. El cemento se fabrica combinando cemento Pórtland o cemento Pórtland de escoria de alto horno con puzolana fina. Esto se puede lograr:

1) Mezclando el cemento Pórtland con la puzolana2) Mezclando el cemento Pórtland de escoria de alto horno con puzolana3) Moliendo conjuntamente el clinker de cemento con la puzolana4) Por medio de una combinación de molienda conjunta y de mezclado.

El contenido de puzolana es menor del 15% en peso del cemento terminado.

Tipo I (SM)

El cemento Pórtland modificado con escoria, TIPO I (SM), se puede emplear en todo tipo de construcciones de concreto. Se fabrica mediante cualquiera de los siguientes procesos:

1) Moliendo conjuntamente el clinker con alguna escoria granular de alto horno2) Mezclando escoria molida y cal hidratada3) Mezclando escoria, cemento Pórtland y cal hidratada

El contenido máximo de escoria es del 25% del peso del cemento de escoria.

A todos los cementos mezclados arriba mencionados, se les puede designar la inclusión de aire agregando el sufijo A, por ejemplo, cemento TIPO S-A.

2. El cemento tipo II

Se conoce como cemento Portland de moderado calor de hidratación y de moderada resistencia a los sulfatos, esto se explica por la disminución del silicato tricálcico y del aluminato tricálcico con respecto al cemento normal. El cemento tipo II se emplea en estructuras moderadamente masivas como grandes columnas o muros de concreto muy anchos, el objetivo es el de evitar que el concreto se agriete debido a los cambios térmicos que sufre durante la hidratación. También se aconseja usar este tipo de cemento en estructuras donde se requiere una protección moderada contra la acción de los sulfatos, como en cimentaciones y muros bajo tierra, donde las concentraciones de sulfatos no sean muy elevadas.

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Cementos con inclusión de aire, astm c150: tipo IA, IIA Y IIIA.

Estos tipos tienen una composición semejante a las de los tipos I, II y III, excepto que durante la fabricación, se muele junto con estos últimos un agente inclusor de aire. Este constituye un mal método para obtener aire incluido, ya que no se puede hacer variar la dosis del agente para compensar otros factores que influyan en el contenido de aire en el hormigón.Estos cementos se usan para la producción de hormigón expuesto a heladas severas

Cementosmescladosastm C595: tipoIS, IP, P,I(PM), I(SM), S.

Estos cementos consisten en mezclas, que se muelen juntas, de clinker y ceniza muy fina, puzolana natural o calcinada, o bien, escoria, dentro de los límites en porcentaje especificados de los componentes. También pueden consistir en mezclas de cal de escoria y cal de puzolana. En general, pero no necesariamente, estos cementos dan lugar a una resistencia mayor a la reacción álcali-agregado, al ataque por sulfato y al ataque del agua de mar, pero requieren un curado de mayor duración y tienden a ser menos resistentes a los daños por la sal para deshelar y descongelar. Dan lugar a una menor liberación de calor y es posible que ganen resistencia con mayor lentitud, en especial a bajas temperaturas.

Para mampostería, ASTM C91, TIPO N, S Y M.

Son cementos de baja resistencia utilizados exclusivamente en albañilería. El tipo M tiene la resistencia más alta, alcanzando20MPa. Una característica de este tipo de cemento es su mayor plasticidad. Este tipo se usa también para revoque; asimismo, suele contener una piedra caliza finamente molida junto con el clinker y un plastificante inclusor de aire. Una marca que se encuentra en el mercado es CALCEMIT

3. El cemento tipo III

Donde se requiera 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.

Usos:

Este tipo de cemento desarrolla altas resistencias a edades tempranas, a 3 y 7 días. Esto se debe por el cemento obtenido durante la molienda es más fino. Su utilización se debe a necesidades específicas de la construcción, cuando es necesario retirar cimbras [encofrados] lo más pronto posible o cuando por requerimientos particulares, una obra tiene que ponerse en servicio muy rápidamente, como en el caso de carreteras y autopistas.

4. El cemento tipo IV:

Se requiere bajo calor de hidratación en que no deben producirse dilataciones durante el fraguado

Usos:

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Se utiliza cuando por necesidades de la obra, se requiere que el calor generado por la hidratación sea mantenido a un mínimo. El desarrollo de resistencias de este tipo de cemento es muy lento en comparación con los otros tipos de cemento. Los usos y aplicaciones del cemento tipo IV están dirigidos a obras con estructuras de tipo masivo, como por ejemplo grandes presas.

5. El cemento tipo V

Donde se requiera alta resistencia a los sulfatos.

El cemento Portland Puzolánico:

Cemento portland puzolánico es el producto resultante de la adición al cemento portland normal de material puzolánico, en un porcentaje de 15 a 50% ; dicha unión puede efectuarse en el estado de Clinker, para ser molidos conjuntamente, a la fineza adecuada o también directamente con el cemento

¿Que se denomina puzolana?

Puzolana, según el criterio de Lea (1) adoptado por las actuales normas del ASTM (2) es el material silíceo que no siendo aglomerante por si mismo -o en muy baja magnitud-contiene elementos que se combinan con la cal en presencia del agua, a temperaturas ordinarias, formando compuestos de escasa solubilidad que presentan propiedades aglomerantes.

Tipos de puzolanas

En una primera clasificación, las puzolanas se dividen en dos grandes grupos: naturales y artificiales:

I. Arcillas y pizarras (que requieren calcinarse para ser activas):a) colinitab) montmorillonita

II. Materiales opalinos (En los cuales la calcinación puede o no ser necesaria) .a) Tierra de diatomeas, semiopalos y pizarras.

III. Tobas volcánicas y pumicitas (en las cuales la calcinación puede o no ser necesaria)a) riolíticosb) andesíticosc) fenoliticos.

IV. Sub productos industriales:a) Escoria de alto horno.b) Ceniza volante.c) Humo silíceo.

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6. Fabricación del cemento Portland Puzolánico

Como se ha expresado en el punto I, por definición para fabricar un cemento portland puzolánico se requiere:

A. La producción de cemento portland normal o de Clinker.B. La puzolana de remplazo, o adición, que puede ser:

a) naturali. No tratada.

ii. Tratada a temperaturas elevadas.b) puzolana artificial (materia prima, arcilla, etc., tratada)

En todos los casos la unidad de cemento portland puzolánico tendrá un menor costo que el correspondiente portland normal, por cuanto se ha remplazado un elevado porcentaje de cemento por puzolana que tiene un costo de fabricación muy inferior. Especialmente en casos de puzolanas no tratadas.

El tratamiento de las puzolanas es en ciertos casos fundamental pues, tanto su finura como la calcinación acrecientan notablemente sus propiedades.

Al portland normal, se le adiciona un porcentaje en peso del 15 al 50% de material puzolánico, teniendo en cuenta el peso específico de este último. Comúnmente este material se llama de remplazamiento, para diferenciar el caso de los cementos a los cuales se le agrega una pequeña parte de puzolana como aditivo para lograr mayor docilidad y otras propiedades.

Ambos materiales se pueden unir sea en Clinker pasando luego juntos a los molinos para ser molidos y ensacados, o luego de producirse el cemento portland.

En determinadas construcciones de magnitud, presas, etc., el cemento puzolánico se fabrica en la obra misma. Este procedimiento es recomendable en estos casos pues, permite graduar el porcentaje de puzolana de acuerdo con las características del concreto deseado.

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PROPIEDADES DE LOS CONSTITUYENTES MINERALÓGICOS PRINCIPALES DEL CEMENTO PORTLAND

Las resistencias mecánicas son debido a la suma de SC3 y SC2, siendo el primero el que da resistencia a corto plazo, y el segundo al cabo del tiempo.

El módulo de elasticidad está directamente relacionado con las resistencias mecánicas y por tanto dependen en igual grado que éstas del Sc3 y SC2.

El AC3Acelera el endurecimiento en las primeras horas. El AC3 y AFC4, y principalmente éste último, actúan como verdaderos fundentes, bajando la temperatura necesaria dentro del horno para la cocción.

Los calores de hidratación son los siguientes:

Sc3 = 120 cal/gr

Sc3 = 62 cal/gr

AC3 = 207 cal/gr

AFC4 = 100 cal/gr

Es la única propiedad de los cementos que puede considerarse aditiva.

La Resistencia a los sulfatos y al hielo – deshielo depende del AC3. A mayor cantidad de AC3 menor resistencia a ambos.

Para poder precisar en los ejercicios qué valor de cada constituyente puede considerarse “bajo” y cuál “alto”, damos a continuación los siguientes límites:

La suma del Sc3 y SC2 oscila entre 60 y 80%. Por tanto, podemos considerar “normal” un 35% de Sc3 y un 35% de SC2.

1. Deduccion de las fórmulas de bogue

Si se demuestra a priori, que se trata de un cemento portland. Conociendo la composición centesimal, hallar la composición potencial.

Bogue supone que la composición potencial es:

Sc3, Sc3, AC3, AFC4. Además existe cal libre C, magnesio M y el yeso que hemos añadido al clínker.

La composición centesimal dada por el laboratorio es, en el caso más general:

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Porcentaje

S = s

A = a

F = f

C = c

M = m

SO3 = s1

Sin dosificar = k

El porcentaje de cal libre siempre está incluido en el c% del CaO que da el análisis. Dicho de otra forma k se incluye en la suma:

s + a + f + c + m + s1 + d = 100

Comenzaremos, restando k de C. Queda , por tanto, una cantidad de cal para el yeso y los componentes del clínker:

C – k

El CaO para el yeso será:

X = % de CaO del yeso = 56/80 s1 = 0,7 s1

Y = % de SO4Ca = 1,7 s1

En general el SO3 no se combina con M; si así fuese tendrían que advertirlo en el enunciado. CaO restante para combinar con los constituyentes mineralógicos: C – k – 0,7s1

Buscamos un oxido o anhídrido de la composición centesimal que aparezca sólo una vez en la composición potencial: al F.

(AFC4) = (A) (F) (C4)

X = % AFC4 = 486/160 f = 3,04 f

X = 0,64 f = % de A del AFC4

X = 1,4 f = % de C del AFC4

De A, para el AC3, disponemos de: a – 0,64 f.

(C3) = (AC3)

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X = % de AC3 = 2,65a – 1,7f

X = % de C del AC3 = 1,65a –1,06f

Queda sólo hallar los porcentajes de SC3 y de SC2.

Disponemos S% = S gr de S y c – k – 0,7s1 – 1,65a – 0,34f de C.

Sea X = % de SC2 e Y = % de SC3.

(SC2) = (S) (C2) (SC3) = (S) (C3).

Podemos escribir las dos ecuaciones siguientes:

%Sc2 + % SC3 = S + C (disponible)

%S del SC” + % de S del SC3 = S

Es decir:

X +Y = S +c – k – 0,7s1 - 1,65a - 0,34f.

60/172 X + 60/228 Y = S.

Resolviendo el sistema de dos ecuaciones simultáneas obtenemos:

Y = % de SC3 = 4,07c – 7,6S – 1,4f – 6,7a.

X = % de SC2 = -3,05c + 8,66S + 1,05f + 5,02a.

2. Dosificación de crudos; vía seca

En los problemas de dosificación se trata de hallar la relación R = caliza/arcilla en que hay que mezclar ambas materias primas para, una vez calcinadas, obtener un clínker de características dadas. El procedimiento a seguir será análogo en todos los casos.

3. Regla de carbonatos

Consiste en fijar el tanto por ciento de CO3Ca que debe tener el crudo a la entrada al horno. Son datos de los tantos por ciento del CO3Ca de la caliza y de la arcilla. Estos tantos por ciento de CO3Ca pueden hallarse directamente, o bien en forma de CaO.

(CaO) (CO2) = (CO3Ca)

Es decir como sus pesos moleculares del CaO y del CO3Ca son respectivamente 56 y 100, bastará multiplicar el tantos por ciento de CaO por 100/56 para obtener el tantos por ciento de CO3Ca.

Sea a el % de CO3Ca de la caliza.

Sea b el % de CO3Ca de la arcilla.

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Sea c el % de CO3Ca del crudo.

La relación Caliza/Arcilla = (c – b)/(a – c) está resuelto el problema.

4. Calculo basado en el contenido de cao en el clinker

El módulo hidráulico se define como la relación C/(S + A + F).

En este caso se quiere hallar, la relación R = caliza/arcilla en que hay que mezclar los crudos para obtener un clínker de módulo hidráulico conocido.

El módulo hidráulico oscila entre 1,7 y 4, y a mayor módulo hidráulico mayor resistencia inicial tiene el cemento.

5. Cálculo basado en la saturación en cal

En este método se suponen conocidos de antemano los constituyentes que van a formarse en el horno. Si no los dan en el enunciado, supondremos que se forma SC3, SC2, AC3, AFC4, o bienSC3, SC2, FC2, AFC4, según que la relación A/F Sea mayor o menor que 102/160 = 0,64. Si esta relación fuese 0,64 exactamente, el cemento estaría formado por SC3, SC2, AFC4.

Existen numerosos índices y módulos que dan las respectivas fórmulas de saturación en cal. Todos los índices y módulos son relaciones lineales entre A, F, S, C, y M.

Se llama índice si la relación es de óxidos ácidos a básicos, y módulo en el caso contrario. Para tener una fórmula de saturación en cal, basta suponer cuales son los componentes mineralógicos principales del clínker:

Combinada = cal saturada por A + cal suturada por F + cal saturada por S.

Cada 60 gr de sílice saturan 3 x 56 de cal.

Cada 102 gr de A saturan 2 x 56 de cal.

Cada 160 gr de F saturan 2 x 56 de cal.

C = 2,8S + 1,1A + 0,7F

C/(2,8S + 1,1A + 0,7F) = 1 Fórmula dada por Kühl.

Si en alguna de estas fórmulas se supone que la magnesia puede sustituir a la cal, el primer miembro de la ecuación será: C + 56/100 M = C + 1,4 M

6. Dosificación de crudos; vía húmeda

Se dispone de dos pastas, de densidades d1 y d2, contenidos de agua a1 y a2 que tienen un elemento CO3Ca referido al crudo, supuesto seco de porcentajes c1 y c2 c1 mayor que c2.

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Se quiere saber en qué relación en volumen hay que mezclar ambas pastas para obtener un crudo que tenga un c% de CO3Ca referido a su peso seco.

caliza/arcilla¿(c−c 2)/(c1−c)

c2 porcentaje del CO3Ca de la arcilla, c1 porcentaje del CO3Ca de la caliza y c porcentaje del CO3Ca del crudo.

Resuelto el problema, sean V1 y V2 los volúmenes pedidos.

X1 = materia seca, en peso, en V1 = V1d1 (100-a1)/100.

X2 = materia seca, en peso, en V2 = V2d2 (100-a2)/100.

(c-c2) / (c1-c) = (V1d1 (100-a1)) / (V2d2 (100-a2)), de donde:

V1/V2 = ((c-c2) d2 (100-a2)) / ((c1-c) d1 (100-a1)) que es la relación buscada.

7. Interpretar el análisis de un cemento

Otro tipo de problema es en el que se da la composición centesimal de un clínker, o de un cemento y se pide interpretar esa composición. Para averiguar de qué cemento o clínker se trata, es preciso proceder por eliminación.

En el caso de un cemento Portland, se deberán aplicar las fórmulas de Bogue con el objeto de poder decir algo sobre sus propiedades.

En un cemento aluminoso, las cantidades de cal y alúmina son muy parecidas y su suma oscila entre 75 y 80%.

Un cemento Ferrari tiene comprendido el módulo fe fundentes entre 0,64 y 1,00.

Un Portland férrico tiene el módulo de fundentes menor de 0,64.

Un Portland blanco puede tener F menor de 0,5%.

Un cemento P.A.S. tiene AC3 menor del 5%.

Un cemento Portland tiene el módulo hidráulico comprendido entre 1,7 y 3,2; el módulo silícico entre 1, 2 y 4 (valor normal 2,5). La cal comprendida entre 60 y 67% y la sílice alrededor del 20. El módulo de fundentes entre 1 y 4 (valor normal 2).

Los cementos siderúrgicos (PS, PAH, SC) se caracterizan por un porcentaje de sílice superior al de un Portland (puede oscilar entre un 20 y32%). El contenido de alúmina también es superior al del Portland.

Los cementos siderúrgicos sobresulfatados se caracterizan por tener 5 a 12% de SO3.

Los cementos puzolánicos son muy parecidos en su composición química a los siderúrgicos.

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Los cementos sin retracción y expansivos tiene más alúmina que el portland.

El módulo hidráulico de un cemento aluminoso está comprendido entre 0,5 y 0,65.

La A.S.T.M. en su especificación A.S.T.M. C 150-61 da la siguiente composición potencial media para cada uno de los cinco tipos de cemento Portland, empleados en Estados Unidos.

Tipo de cemento

Proporción de los constituyentes

En porcentaje

C3S

C2S

C3A

C4AF

I.- Normal 45

27

11

8

II.- Modificado 44

31

7 13

III.- De elevada resistencia inicial

53

19

10

7

IV.- De bajo calor de hidratación

20

52

6 14

V.- Resistente a los sulfatos

38

43

4 8

BIBLIOGRAFIA

Agregados para concreto (1983). Limusa: México. Fritz Keil (1973), Cemento: fabricación, propiedade, aplicaciones, 1era edición,

editores técnicos asociados S.A., España. Cemento y Cal. Disponible en Internet: http://circa.europa.eu/ Manufactura del Cemento Pórtland. Disponible en Internet:

www.monografias.com/trabajos7/mace/mace.shtml

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