Propiedades Físicas del Cemento.

Las especificaciones de cemento presentan límites para las propiedades físicas y para la composición química.

La comprensión de la importancia de las propiedades físicas es útil para la interpretación de los resultados de los ensayos de los cementos. Los ensayos de las propiedades físicas de los cementos se deben utilizar para la evaluación de las propiedades del cemento y no del concreto. Las especificaciones del cemento limitan las propiedades de acuerdo con el tipo de cemento. Durante la fabricación, se monitorean continuamente la química y las siguientes propiedades del cemento:

Tamaño de las Partículas y Finura del Cemento.
Sanidad del Cemento.
Consistencia del Cemento.
Tiempo de Fraguado del Cemento.
Agarrotamiento Prematuro (Falso Fraguado y Fraguado Rápido) .
Resistencia a Compresión del Concreto.
Calor de Hidratación del Concreto.
Pérdida por Calcinación (Pérdida por Ignición, Pérdida al Fuego).
Peso Específico (Densidad) y Densidad Relativa (Densidad Absoluta, Gravedad Específica) del Concreto.
Densidad Aparente del Concreto.

Agua (Evaporable y No-evaporable): Ingrediente de pasta, morteros y concretos.

El agua es un ingrediente llave de las pastas, morteros y concretos, pues las fases en el cemento portland tienen que reaccionar químicamente con el agua para desarrollar resistencia. La cantidad de agua adicionada a la mezcla también controla la durabilidad. El espacio en la mezcla inicialmente lleno de agua, con el tiempo, se sustituye parcial o completamente mientras que las reacciones de hidratación ocurren (Tabla 2.10). Si se usa más que aproximadamente 35% de agua en masa de cemento – relación agua-cemento de 0.35– va a permanecer una porosidad en el material endurecido, incluso después de la hidratación completa. Ésta se llama porosidad capilar. La Figura 2-30 muestra que pastas de cemento con alta y baja relación agua-cemento tienen masas iguales después del secado (el agua evaporable fue removida). El cemento consume la misma cantidad de agua en ambas pastas resultando en un volumen mayor en la pasta con relación agua-cemento mayor. Amedida que la relación agua-cemento aumenta, la porosidad capilar aumenta y la resistencia disminuye. Las propiedades de transporte, tales como permeabilidad y difusividad también aumentan, permitiendo que substancias perjudiciales ataquen el concreto o la armadura más fácilmente.

Fig. 2-30. Cilindros de pastas de cemento de pesos iguales y
el mismo contenido de cemento, pero mezclados con
diferentes relaciones agua-cemento, enseñados después que
toda el agua se ha evaporado. (1072)

El agua en los materiales cementantes se encuentra en muchas formas. Agua libre es el agua de la mezcla que no reaccionó con las fases del cemento. La retenida es el agua químicamente combinada en las fases sólidas o físicamente adherida a las superficies del sólido. No es posible una separación confiable del agua químicamente combinada y del agua físicamente adsorbida. Por lo tanto, Powers (1949) distinguió agua evaporable y agua no-evaporable. El agua no-evaporable es la cantidad de agua retenida por un espécimen después de que se lo ha sujeto a procedimientos de secado para la remoción de toda el agua libre (tradicionalmente a través del calentamiento a 105°C). El agua evaporable ha sido originalmente considerada como agua libre, pero ahora se reconoce que parte de la adsorbida también puede ser perdida bajo calentamiento a esa temperatura. Toda el agua no-evaporable es agua combinada,

pero el opuesto no es verdadero.

Para la completa hidratación del cemento portland, sólo aproximadamente 40% de agua es necesaria (relación agua-cemento de 0.40). Si la relación agua-cemento es mayor que 0.40, el exceso del agua que no se utiliza para la hidratación permanece en los poros capilares o se evapora.

Si la relación agua-cemento es menor que 0.40, parte del cemento va a permanecer anhidro.

Para estimarse el grado de hidratación del material hidratado, normalmente se usa el contenido de agua no-evaporable. Para convertir la cantidad de agua no-evaporable medida en el grado de hidratación, se hace necesario el conocimiento del valor de la relación agua no- evaporable – cemento (an/c) para la hidratación completa.

La determinación de esta relación se hace experimentalmente con el preparo de una pasta de alta relación agua-cemento (por ejemplo 1.0) y su molienda continua en un molino de bolas mientras que se hidrata. En este procedimiento, la completa hidratación del cemento se logrará después de 28 días.

Alternativamente, se puede obtener de la composición potencial de Bogue del cemento un valor estimado de la relación agua no-evaporable – cemento (an/c) para la completa hidratación. El contenido de agua no-evaporable para la mayoría de los compuestos del cemento portland se presenta en la Tabla 2.12. Para un cemento ASTM tipo I típico, estos coeficientes van a resultar en un (an/c) calculado para la hidratación completa del cemento de 0.22 a 0.25.

 

 Tabla 2-12. Contenido de Agua No-evaporable
parala Hidratación Completa de los CompuestosdelCemento

 

Compuestos químicos e hidratación del cemento portland.

En la fabricación del clínker de cemento portland, durante la calcinación, el calcio combina con otros componentes de la mezcla cruda para formar cuatro compuestos principales que corresponden al 90% de la masa del cemento. Durante la molienda, se añaden yeso (4% hasta 6%) u otra fuente de sulfato de calcio y otros auxiliadores de molienda. Los químicos del cemento usan las siguientes abreviaturas químicas para describir los compuestos:

A= Al2O3, C = CaO, F = Fe2O3, H = H2O, M = MgO, S = SiO2 y Æ = SO3.

Se usa el término “fase” preferiblemente al término “compuesto” para describirse los componentes del clínker.

Siguen los cuatro compuestos principales en el cemento portland, sus fórmulas químicas aproximadas y abreviaturas:

Silicato tricálcico3CaO·SiO2 =C3S

Silicato dicálcico2CaO·SiO2 =C2S

Aluminato tricálcico3CaO·Al2O2 =C3A

Ferroaluminato4CaO·Al2O2·Al2O2 =C4AF tetracálcico

Siguen las formas de sulfato de calcio, sus fórmulas químicas y abreviaturas:

Sulfato de calcio anhidro (anhidrita)

CaSO4 = CaO·SO3 =  CÆ

Sulfato de calcio dihidratado (yeso)

CaSO4 ·2H2O·= CaO·SO3 ·2H2O  =  CÆ H2

Hemidrato de sulfato de calcio

CaSO4 · 1⁄2H2O·= CaO·SO3 · 1⁄2H2O  =  CÆ H1/2

El yeso, sulfato de calcio dihidratado, es la fuente de sulfato más empelada en el cemento.

El C3S y el C2S en el clínker se conocen como alita y belita, respectivamente. La alita constituye del 50% hasta 70% del clínker, mientras que la belita es responsable por sólo 15% hasta 30%. Los compuestos de aluminato constituyen aproximadamente del 5% hasta 10% del clínker y los compuestos de ferrita del 5% hasta 15% (Taylor 1997).

Estos y otros compuestos se los pueden observar y analizar a través del uso de técnicas microscópicas (consulte Fig. 2-25, ASTM C 1356 y Campbell 1999). La Tabla 2.9 trae algunas normas empleadas para el análisis químico.

En presencia de agua, estos compuestos se hidratan (se combinan químicamente con el agua) para formar nuevos compuestos, los cuales son la infraestructura de la pasta de cemento endurecida en el concreto (Fig. 2-26). Los silicatos de calcio, C3S y C2S, se hidratan para formar los compuestos de hidróxido de calcio y silicato de calcio hidratado (arcaicamente llamado de gel de tobermorita). El cemento portland hidratado contiene del 15% hasta 25% de hidróxido de calcio y aproximadamente 50% de silicato de calcio hidratado, en masa. La resistencia y otras propiedades del cemento hidratado se deben principalmente al silicato de calcio hidratado (Fig. 2-27). El C3Areacciona con el agua y el hidróxido de calcio para formar aluminato tetracálcico hidratado. El C4AF reacciona con el agua para formar ferroaluminato de calcio hidratado. El C3A, sulfato (yeso, cemento anhidro (cálculos de Bogue). Debido a las imprecisiones de los cálculos de Bogue, se pueden determinar los porcentajes de los compuestos de manera más precisa a través de las técnicas de difracción de rayos X (ASTM C 1365, IRAM 1714, NTP334.108). La Tabla 2.11 presenta la composición típica de los compuestos elementares así como la finura de cada uno de los principales tipos de cemento portland en los EE.UU.

Normalmente se describen los elementos como óxidos sencillos para la consistencia de las normas. Sin embargo, raramente se encuentran en el cemento en la forma de óxidos. Por ejemplo, el azufre del yeso normalmente se designa como SO3 (trióxido de azufre), sin embargo el cemento no contiene ningún trióxido de azufre. Las cantidades de calcio, sílice y alúmina establecen la cantidad de anhidrita u otra fuente de sulfato) y el agua combinan para formar etringita (trisulfoaluminato de calcio hidratado), monosulfato de calcio y otros compuestos afines. Estas transformaciones básicas de los compuestos se presentan en la Tabla 2.10. Brunauer (1957), Copeland y otros (1960),

Lea (1971), Powers y Brownyard (1947), Powers (1961) y Taylor (1997) presentaron la estructura de los poros y la química de las pastas de cemento. La Figura 2-28 muestra los volúmenes relativos estimados de los compuestos en las pastas hidratadas de cemento portland.

Un modelo computacional para la hidratación y el desarrollo de la microestructura, en la Web, se encuentra en NIST (2001) [http://vcctl.cbt.nist.gov].

El porcentaje aproximado de cada compuesto se puede calcular a través del análisis químico de los óxidos del los compuestos principales en el cemento y efectivamente las propiedades del cemento hidratado. El sulfato está presente para controlar el tiempo de fraguado, bien como la contracción por secado y el aumento de resistencia (Tang 1992). Batí (1995) y PCA(1992) discuten los elementos menores y su efecto en las propiedades del cemento. El conocimiento actual de la química del cemento indica que los compuestos principales del cemento tienen las siguientes propiedades:

Silicato Tricálcico, C3S, se hidrata y se endurece rápidamente y es responsable, en gran parte, por el inicio del fraguado y la resistencia temprana (Fig. 2-29). En general, la resistencia temprana del concreto de cemento portland es mayor, cuando el porcentaje de C3S aumenta.

Silicato Dicálcico, C2S, se hidrata y se endurece lentamente y contribuye grandemente para el aumento de resistencia en edades más allá de una semana.

Aluminato Tricálcico, C3A, libera una gran cantidad de calor durante los primeros días de hidratación y endurecimiento. También contribuye un poco para el desarrollo de las resistencias tempranas. Los cementos con bajos porcentajes de C3 Aresisten mejor a suelos y aguas con sulfatos.

Ferroaluminato Tetracálcico, C4AF, es el producto resultante del uso de las materias primas de hierro y aluminio para la reducción de la temperatura de clinkerización (clin-

querización o cocción) durante la fabricación del cemento.

Este compuesto contribuye muy poco para la resistencia.

La mayoría de los efectos de color para la producción del cemento gris se deben al C4AF y sus hidratos.

Sulfato de Calcio, como anhidrita (sulfato de calcio anhidro), yeso (sulfato de calcio dihidratado) o hemidrato, comúnmente llamado de yeso de parís (sulfato de calcio hemidrato), se adiciona al cemento durante la molienda final, ofreciendo sulfato para la reacción con el C3A y la formación de etringita (trisulfoaluminato de calcio). Esto controla la hidratación del C3A. Sin sulfato, el fraguado del cemento sería rápido. Además del control del fraguado y del desarrollo de resistencia, el sulfato también ayuda a controlar la retracción por secado y puede influenciar la resistencia hasta 28 días (Lerch 1946).

Además de los compuestos principales arriba, existen también numerosas otras formulaciones de compuestos (PCA1997, Taylor 1997, Tennis y Jennings 2000).

Fig. 2-25. (izquierda) El examen de secciones finas pulidas de clinker portland muestra la alita (C3S) como cristales angulares y claros. Los cristales más oscuros y arredondeados son la belita (C2S). Aumento 400X. (derecha) Micrografía del microscopio electrónico de barrido (SEM) de los cristales de alita en el clinker portland. Aumento 3000X 

Tabla 2-9. Normas para el Análisis Químico delClínker y del Cemento

* Las normas UNIT –NM son normas para el Uruguay y también
para el MERCOSUR.

Fig. 2-26. Micrografías electrónicas de (izquierda) silicato dicálcico hidratado, (medio) silicato tricálcico hidratado y (derecha)cemento portland normal hidratado. Observe la naturaleza fibrosa de los productos hidratos de silicato de calcio.Fragmentos rotos de cristalitas de hidróxido de calcio angular también están presentes (derecha). La unión de las fibras yla adhesión de las partículas de hidratación son responsables por el desarrollo de la resistencia de las pasta de cementoportland. Referencias (izquierda y el medio) Brunauer 1962 y (derecha) Copeland y Schulz 1962.

Fig. 2-27. Micrografías electrónicas de barrido de una pasta endurecida de cemento (izquierda) aumento 500X y (derecha) aumento 1000X). (A7112, A7111)

Tabla 2-10. Reacciones de Hidratación de los Compuestos del Cemento Portland (Expresados en óxidos)

Nota: Esta tabla enseña sólo las transformaciones principales y no las varias transformaciones que ocurren. La composición del silicato de calcio
hidratado (C-S-H) no es estequiométrica (Tennis y Jennings 2000).

Fig. 2-28. Volúmenes relativos de los compuestos principales en la microestrutura de las pastas de cemento en proceso dehidratación (izquierda) en función del tiempo (adaptado de Locher, Richartz y Sprung 1976) y (derecha) en función del gradode hidratación, estimado por el modelo de computadora para la relación agua-cemento de 0.50 (adaptado de Tennis yJennings 2000). Los valores son para la composición media de un cemento tipo I (Gebhardt 1995): C3S = 55%, C2S=18%,C3A= 10% y C4AF = 8%. “AFt y AFm” incluyen etringita (AFt) y monosulfoaluminato de calcio (AFm) y otros compuestoshidratados de aluminato de calcio. Consulte la Tabla 2-5 para la transformación de los compuestos.
 

Tabla 2-11. Composición Química, Composición de los Compuestos y Finura de los Cementos de los EE.UU.

*Estos valores representan un resumen de estadísticas combinadas. Los cementos con aire incluido (incorporado) no están incluidos. Para una
homogeneización de la información, los elementos están expresos en la forma padrón de óxidos. Esto no significa que la forma de óxidos esté
presente en el cemento. Por ejemplo, el azufre se reporta como SO3, trióxido de azufre, pero el cemento portland no contiene trióxido de
azufre. La “composición potencial de los compuestos” se refiere a los cálculos de la ASTM C 150 (AASHTO M 85) usando la composición
química del cemento. La composición real de los compuestos puede ser menor, debido a reacciones químicas incompletas o alteradas.
**Incluyendo los cementos finamente molidos.
Adaptado de PCA(1996) y Gebhardt (1995).

Fig. 2-29. Reactividad relativa de los compuestos del
cemento. La curva llamada “total” tiene una composición del
55% de C3S, 18% de C2S, 10% de C3Ay 8% de C4AF, una com-
posición media del cemento tipo I (Tennis y Jennings 2000).

Aplicaciones del concreto relacionadas con el almacenamiento de agua potable.

Por décadas, se ha usado el concreto de manera segura en aplicaciones relacionadas con el almacenamiento de agua potable. Los materiales en contacto con el agua deben satisfacer a requisitos especiales para el control de la entrada de elementos en el abastecimiento de agua. Algunos sitios pueden solicitar que el cemento y el concreto atiendan a requisitos especiales del Instituto Nacional de Normas Norteamericanas/ Norma da Fundación Sanitaria Nacional (American National Standard Institute/ Nacional Sanitation Foundation Standard) ANSI/NSF 61, Componentes del Sistema de

Agua Potable – Efectos en la Salud (Drinking Water System Components – Health Effects) o normas específicas de cada país. La ANSI/NSF 61 está adaptándose para cada estado de los EE.UU., para garantizar que los productos tales como tubería, recubrimientos y capas y procesos de abastecimiento sean seguros para su uso en sistemas de agua potable para la población.

Los cementos que se usen en componentes de los sistemas de abastecimiento de agua potable, tales como tuberías y depósitos, se deben someter a los ensayos bajo la ANSI/NSF 61. Kanare (1995) resume las especificaciones y los programas de pruebas necesarios para la certificación del cemento para su uso en aplicaciones de agua potable.

Consulte el código de construcción local o las autoridades locales para determinar si se requiere el uso de cementos certificados para proyectos de agua, tales como tuberías en concreto y depósitos en concreto (Fig. 2-24).

Fig. 2-24. El concreto ha demostrado décadas de uso seguro en aplicaciones relacionadas con el almacenamiento de agua potable, tales como tanques de concreto.

Elección y especificación de cementos.

Al especificarse el cemento para un proyecto, se debe estar seguro de la disponibilidad de los tipos de cemento, además, la especificación debe permitir flexibilidad en la selección del cemento. La limitación de un proyecto a un sólo tipo de cemento, una marca o una norma de cemento puede resultar en retrasos del proyecto y puede impedir el mejor uso de materiales locales. No se deben requerir los cementos con propiedades especiales, a menos que características especiales sean necesarias. Además, el uso de materiales cementantes suplementarios no debe inhibir el uso de cualquier cemento portland o cemento adicionado en particular. Las especificaciones de proyecto deben enfocarse en la necesidad de la estructura de concreto y permitir la utilización de una variedad de materiales para que se alcancen estas necesidades.

Si no se requieren propiedades especiales (tales como bajo calor de hidratación o resistencia a los sulfatos), se permite el uso de todos los cementos de uso general. Se debe observar que algunos tipos de cementos siguen también los requisitos de otros tipos de cemento, por ejemplo, todos los cementos ASTM tipo II atienden a los requisitos del cemento tipo I, pero ni todo cemento tipo I atiende a los requisitos del cemento tipo II. Consulte las Tablas 2.3 y 2.8 para la orientación sobre el uso de los diferentes tipos de cementos.

Usos de los principales tipos de cementos en latinoamérica.

Cemento Portland Normal u Ordinario. Éste es un cemento para uso general, empleado cuando no sean necesarias propiedades especiales. Pero a este cemento se pueden añadir características especiales como en Argentina donde puede tener alta resistencia inicial, moderada o alta resistencia a los sulfatos, en Colombia donde puede tener alta resistencia, en México donde puede tener resistencia a sulfatos, baja reactividad álcali-agregado, bajo calor de hidratación o blanco y en Perú donde puede presentar bajo contenido de álcalis. Se lo puede utilizar en concreto armado, pavimentos, prefabricados, mampostería, concreto postensado y concreto pretensado.

Moderada Resistencia a los Sulfatos. Ha sido diseñado para estructuras que necesiten moderada resistencia a los sulfatos o bajo calor de hidratación. Se recomienda en edificios y construcciones industriales, puentes, estructuras expuestas a suelos, al agua con concentración moderada de sulfatos o al agua del mar o estructuras con gran volumen de concreto. En estos cementos el contenido de C3Ase limita a 8%.

Alta Resistencia Inicial. Normalmente se lo conoce como ARI. La alta resistencia inicial de este cemento normalmente es resultado de la mayor área superficial Blaine y no de los productos de hidratación del C3A. En la mayoría de los países, este cemento se compone de clínker e yeso, pero en Costa Rica puede recibir también pequeñas cantidades de caliza. Se lo utiliza en estructuras de concreto que necesitan de alta resistencia a edades tempranas, tales como pavimentos “fast-track”, concreto prefabricado, concreto de alto desempeño, concreto colocado en tiempo frío, concreto postensado y concreto pretensado.

Bajo Calor de Hidratación. Esta es una propiedad encontrada en cementos indicados para estructuras de concreto masivo. Como el C3Ay el C3S producen alto calor de hidratación, el contenido de estos compuestos se limita a 7% y 35%, respectivamente.

Alta Resistencia a los Sulfatos. Este cemento se usa cuando la estructura va a estar en contacto con ambientes con alto contenido de sulfatos solubles, tales como cimentaciones en suelos agresivos, pavimentos, estructuras en contacto con el agua del mar, plantas industriales, plantas de tratamiento de agua potable y de aguas residuales.

Normalmente el contenido de C3Apermitido es 5%, a excepción de Argentina que limita el C3Aa 4%.

Blanco. Este cemento puede seguir los requisitos de otros cementos, por ejemplo del cemento portland común, pero diferenciándose en su color. Se lo utiliza en elementos prefabricados de concreto, concreto arquitectónico, pisos y acabado de fachadas.

Cementos Portland Modificados. Estos cementos se producen por la molienda conjunta del clínker y pequeñas cantidades de adiciones, tales como calizas, puzolanas y escorias. Son para uso general, cuando el concreto no necesite desarrollar alta resistencia inicial, a excepción del cemento ARI de Costa Rica. El área superficial Blaine de estos cementos es, normalmente, mayor para compensar las modificaciones de algunas propiedades (tasa de desarrollo de la resistencia, tiempo de fraguado).

Los cementos portland con filler calcáreo son cementos que reciben pequeñas cantidades de caliza. En Costa Rica y Venezuela el contenido de caliza es de hasta 15 %, en Bolvia hasta 15%, en Argentina hasta 20% y en Colombia hasta 30%, en masa.

En los cementos portland modificados con escoria se permiten cantidades mayores de adiciones: Argentina 35%, Chile 30% y Perú 25%.

En los cementos portland modificados con puzolana la cantidad de puzolana adicionada es de hasta15% en Perú y hasta 30% en Chile, Bolivia y Venezuela.

Cementos Portland Adicionados (Mezclados). La diferencia entre un cemento adicionado y uno modificado es la mayor cantidad de adición mineral en los adicionados, la cual influye en las principales propiedades del concreto: menor calor de hidratación, desarrollo más lento de la resistencia, menor permeabilidad y mayor durabilidad.

El cemento portland de escoria se usa en construcciones en general, cuando sea necesaria resistencia a la reacción álcali-agregado o cuando se deseen baja permeabilidad y bajo calor de hidratación. Además, su uso es indicado en estructuras expuestas al agua del mar o a sulfatos. Ejemplos de empleo de este cemento son las presas y las estructuras de concreto masivo. Colombia es el país que permite el mayor contenido de escoria (85%), seguido de México y Paraguay (80%), Argentina y Chile

(75%), Perú (70%) y Uruguay (65%).

El cemento portland puzolánico se usa en concretos expuestos a condiciones severas, tales como sulfatos y también cuando agregados potencialmente reactivos se van a emplear. El concreto expuesto al agua del mar y el concreto prefabricado sometido al curado térmico son ejemplos de utilización de este tipo de cemento. En Argentina, Chile, Colombia y México el contenido de puzolana puede llegar al 50% y en Bolivia, Perú, Uruguay y Venezuela al 40%.

La Tabla 2.8 presenta un resumen de las aplicaciones de los principales cementos en Latinoamérica.

Tabla 2-8. Aplicación de los cementos más comúnmente usados

 

Cementos de Fosfato de Magnesio.

El cemento de fosfato de magnesio es un cemento de fraguado rápido y alta resistencia inicial. Se lo utiliza normalmente en aplicaciones especiales, tales como reparos de pavimentos y estructuras de concreto o por ejemplo en ciertos productos químicos. Este cemento no contiene cemento portland.