Cemento: Generalidades

El cemento es un conglomerante hidráulico que se obtiene por la calcinación de mezclas de arcilla y piedra caliza. Al moler finamente estas mezclas y amasarlas con agua, se forma una pasta que fragua y endurece, dando lugar a productos resistentes y estables tanto en el aire como en contacto con el agua.

Tipos de Cemento

Existen dos tipos principales de cemento:

• Cementos naturales: Obtenidos directamente de la calcinación de margas (rocas que contienen arcilla y caliza).
• Cementos artificiales: Obtenidos a partir de la dosificación precisa de arcilla y caliza, lo que permite obtener un producto de mayor calidad.

Notas Históricas

El uso de conglomerantes hidráulicos se remonta a miles de años atrás. Algunas referencias históricas incluyen:

• Pavimento de cal roja y aditivos en Lepenski Vir (Serbia) hace 5.600 años.
• Conglomerante hidráulico en Chile hace 5.000 años, hecho de algas calcinadas.
• Uso de yeso y cal por los egipcios en construcciones como la pirámide de Giza.
• Empleo de puzolana (ceniza volcánica) por los romanos como cementante natural.

Desarrollo del Cemento Portland

• John Smeaton (1758): Descubrió que la adición de puzolana a la caliza con arcilla mejoraba la resistencia al agua marina.
• Joseph Aspdin (1824): Patentó un material pulverulento que, al mezclarse con agua y arena, endurecía como las calizas de la isla de Portland, de ahí el nombre «cemento portland».
• Isaac Johnson (1844): Mejoró el proceso de Aspdin y obtuvo un producto similar al cemento portland actual.
• Siglo XIX: Se extiende el uso del cemento portland.
• Siglo XX: El cemento portland se impone sobre los cementos naturales.

Fabricación: Materias Primas

El cemento portland se obtiene a partir del clínker, un producto intermedio que se produce por la cocción a alta temperatura (1480 ºC) de una mezcla de carbonato de calcio (piedra caliza) y un aluminosilicato (arcillas o margas).

Componentes del Clínker

El clínker está compuesto principalmente por silicatos, aluminato y ferrito aluminato de cal. Para obtener estos productos, las materias primas deben contener:

• Óxido de sílice (SiO2)
• Óxido de aluminio (Al2O3)
• Óxido de hierro (Fe2O3)
• Cal (CaO)

Componentes Principales del Clínker Portland

• Silicato tricálcico (C3S): Confiere altas resistencias mecánicas iniciales al cemento.
• Silicato bicálcico (C2S): Desarrolla resistencias progresivamente.
• Aluminato tricálcico (C3A): Desarrolla buenas resistencias iniciales en presencia de silicatos.
• Ferrito aluminato tetracálcico (C4AF): Apenas contribuye a la resistencia mecánica.

Componentes Secundarios

Aunque en menor proporción, estos componentes también son importantes:

• Cal libre (CaO): Puede causar fisuras y afectar la estabilidad del cemento.
• Magnesia (MgO): Puede ser nociva en exceso.
• Alcalinos (K2O, Na2O): Pueden afectar la durabilidad del hormigón.
• Anhídrido sulfúrico (SO3): Influye en las resistencias iniciales y puede reaccionar con áridos reactivos.

Módulos del Cemento Portland

Los módulos son relaciones entre los óxidos principales del clínker que se utilizan para controlar su composición y sistematizar la fabricación del cemento.

• Módulo hidráulico (MH): Indica la resistencia y estabilidad del cemento.
• Módulo de silicatos (MS): Influye en el fraguado y endurecimiento.
• Módulo de fundentes (MF): Indica la facilidad de calcinación.
• Índice de saturación en cal (IS): Indica la cantidad de cal disponible en el clínker.

Sistemas de Producción

Existen dos sistemas de producción de cemento:

• Vía húmeda: Las materias primas se mezclan en tanques con agua.
• Vía seca: El horno se alimenta con materia prima seca y pulverulenta. Este método es más eficiente energéticamente.

Tipos de Cementos

La norma UNE-EN 197-1 define los siguientes tipos de cementos comunes:

• Cemento portland (CEM I): Cemento puro sin adiciones.
• Cemento portland con adiciones (CEM II): Contiene escoria, humo de sílice, puzolana o caliza.
• Cemento con escorias de horno alto (CEM III): Alto contenido de escoria.
• Cemento puzolánico (CEM IV): Alto contenido de puzolana.
• Cemento compuesto (CEM V): Mezcla de escoria y puzolana.

Además de los cementos comunes, existen otros tipos especiales, como:

• Cementos de muy bajo calor de hidratación (VLH): Ideales para grandes masas de hormigón.
• Cemento de aluminato de calcio (CAC): Altas resistencias iniciales.
• Cementos de albañilería (MC): Para revocos, enfoscados y morteros de juntas.
• Cementos blancos (BL): Para aplicaciones estéticas.
• Cementos para usos especiales (ESP): Para presas, suelo cemento y otras aplicaciones específicas.

Usos del Cemento

La elección del tipo de cemento depende de la aplicación, las condiciones de puesta en obra y el ambiente al que estará expuesto el hormigón o mortero.

Algunos ejemplos de usos del cemento:

• CEM I: Hormigones de alta resistencia, prefabricados y pretensados.
• CEM II: Hormigones y morteros en general.
• CEM III: Hormigones en ambientes agresivos con sulfatos o agua de mar.
• CEM IV: Hormigones en ambientes ácidos.
• CEM V: Estabilización de suelos, bases de carreteras y grandes masas de hormigón.

Características de los Cementos

Las principales características que se miden en los cementos son:

• Mecánicas: Resistencia a compresión.
• Físicas: Tiempo de fraguado, estabilidad de volumen, calor de hidratación y finura de molido.
• Químicas: Pérdida por calcinación, puzolanidad, residuo insoluble, contenido de sulfato y cloruro.

Resistencia

La resistencia del cemento es fundamental para la construcción de elementos estructurales. Influyen en ella la constitución mineralógica, la relación agua/cemento, la temperatura de curado, el tipo y proporción de adiciones y la finura de molido.

Principio y Final de Fraguado

El fraguado es el proceso por el cual la pasta de cemento pasa de un estado plástico a uno rígido. El principio de fraguado marca el inicio de la rigidez, mientras que el final indica la pérdida de plasticidad.

Estabilidad de Volumen

La estabilidad de volumen es importante para evitar fisuras en el hormigón. Se controla mediante la limitación de componentes expansivos como la cal libre y la magnesia.

Calor de Hidratación

El calor generado durante la hidratación del cemento puede ser beneficioso o perjudicial dependiendo de la temperatura ambiente y el tamaño de la masa de hormigón.

Finura de Molido

La finura de molido influye en la velocidad de hidratación y el desarrollo de resistencias. Los cementos finos ofrecen mayor docilidad y resistencias, pero también tienen inconvenientes como mayor costo y sensibilidad a la fisuración.

Pérdida por Calcinación

La pérdida por calcinación indica la cantidad de agua y CO2 que se libera al calentar el cemento. Un exceso de pérdida por calcinación puede indicar meteorización del cemento y disminución de sus resistencias.

Composición Química

Se controla el contenido de sulfatos y cloruros, ya que en exceso pueden ser perjudiciales para el cemento y el hormigón.

En resumen, el cemento portland es un material esencial en la construcción moderna. Su fabricación, tipos y usos se han desarrollado a lo largo de la historia para satisfacer las necesidades de diferentes aplicaciones. La elección del tipo de cemento adecuado es crucial para garantizar la resistencia, durabilidad y estabilidad de las estructuras de hormigón.