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1.1

Clasificación de los cementos y hormigones.

Clasificación de los cementos según su composición. El cemento es un material pulverizado que por adición de una cantidad conveniente de agua forma una pasta conglomerante capaz de endurecer tanto bajo el agua como en el aire (NCh148.Of68). El cemento se compone principalmente de la molienda conjunta de clínquer, yeso y componentes adicionales especiales que caracterizan cada clase de cemento. A continuación se detalla la definición de los términos mayormente utilizados durante la clasificación de los cementos, correspondiente a lo señalado en la Norma Chilena Oficial NCh148.Of68, Cemento – Terminología, clasificación y especificaciones generales:



Clínquer. Es el producto que está constituido principalmente, por silicatos cálcicos.

Se obtiene por calentamiento hasta una temperatura que no podrá ser inferior a la temperatura de fusión incipiente de una mezcla homogénea finamente molida en proporciones adecuadas, formada principalmente por óxidos de calcio (CaO), silicio (SiO2), óxidos de aluminio (Al2O3) y fierro (Fe2O3) en proporciones menores.



Puzolana. Es un material silíceo-aluminoso que aunque no posee propiedades

aglomerantes por sí solo, las desarrolla cuando está finamente dividido y en presencia de agua, por reacción química con hidróxido de calcio a temperatura ambiente.



Agregado tipo A. Es una mezcla de substancias compuestas de un material calcáreo-

arcilloso que ha sido calcinado a una temperatura superior a 900°C y otros materiales a base de óxidos de silicio, aluminio y fierro. El contenido de calcio agregado, expresado como CaO total, fluctuará entre 5% mínimo y 30% máximo.



Escoria básica granulada de alto horno. Es el producto que se obtiene por enfriamiento brusco de la masa fundida

no metálica que resulta en el tratamiento de mineral de hierro en un alto horno. Este producto tiene como constituyentes principales silicatos y sílico-aluminatos de calcio y su composición química es tal que cumple con el siguiente requisito. 𝐶𝑎𝑂 + 𝑀𝑔𝑂 + 𝐴𝐿2 𝑂3 >1 𝑆𝑖𝑂2 Los cementos se clasifican según su composición en las siguientes clases, correspondiente a lo señalado en la Norma Chilena Oficial NCh148.Of68, Cemento – Terminología, clasificación y especificaciones generales: i. Cemento Portland. Es el producto que se obtiene de la molienda conjunta con clínquer y yeso y que pueda aceptar hasta un 3% de materias extrañas, excluido el sulfato de calcio hidratado. ii. Cemento siderúrgico. Es el producto que se obtiene de la molienda conjunta de clínquer, escoria granulada de alto horno y yeso y que puede aceptar hasta un 3% de materias extrañas, excluido el sulfato de calcio hidratado.



Cemento Portland siderúrgico. Es el cemento cuya composición entrará escoria básica granulada de alto

horno en una proporción no superior al 30% en peso del producto terminado.



Cemento siderúrgico. Es el cemento cuya composición entrará escoria básica granulada de alto

horno en una proporción comprendida entre el 30% y el 75% del producto terminado. iii. Cemento con agregado tipo A. Es el producto que se obtiene de la molienda conjunta de clínquer, agregado tipo A y yeso y que pueda aceptar hasta un 3% de materias extrañas, excluido el sulfato de calcio hidratado.



Cemento Portland con agregado tipo A. Es el cemento cuya composición entrará agregado tipo A, en una

proporción no superior a 30% en peso del producto terminado.



Cemento con agregado tipo A. Es el cemento en cuya composición entrará agregado tipo A en una

proporción comprendida entre 30% y 50% en peso del producto terminado. iv. Cemento puzolánico. Es el producto que se obtiene de la molienda conjunta de clínquer, puzolana y yeso y que puede aceptar hasta un 3% de materias extrañas, excluido el sulfato de calcio hidratado.



Cemento Portland puzolánico. Es el cemento en cuya composición entrará puzolana en una proporción

no superior a 30% en peso del producto terminado.



Cemento puzolánico. Es el cemento en cuya composición entrará puzolana en una proporción

comprendida entre el 30% y 50% en peso del producto terminado. v. Cemento con fines especiales. Es el cemento en cuya composición entran los productos que se emplean normalmente en la fabricación de cementos, cuyos requisitos y propiedades se establecen por acuerdo previo entre el productor y el consumidor para cumplir determinado fines. Los cementos de cada una de las clases indicadas anteriormente se clasifican además de acuerdo con su resistencia según lo estipulado en la Tabla2. Tabla 1. Clasificación de cementos según su resistencia (NCh148.Of68)

Tiempo de fraguado Grado

Resistencia mínima a la compresión

Resistencia mínima a la flexión

Inicial mínimo min

Final máximo h

7 días kg/cm2

28 días kg/cm2

7 días kg/cm2

28 días kg/cm2

Corriente

60

12

180

250

35

45

Alta resistencia

45

10

250

350

45

55

1.1.1.1

Principales componentes del cemento. Los componentes principales del cemento son cuatro y se presentan en

la tabla 3, junto con sus fórmulas abreviadas. Estas abreviaturas empleadas describen cada óxido con una letra; por ejemplo: CaO = C, SiO2 = S, Al2O3 = A y Fe2O3 = F.

Tabla 2. Principales componentes del cemento Portland.

Nombre del componente

Composición óxida

Abreviatura

Silicato de tricalcio

3CaO.SiO2

C3S

Silicato de bicalcio

2CaO.SiO2

C2S

Aluminio de tricalcio

3CaO.Al2O3

C3A

Aluminoferrato

4CaO.Al2O3.Fe2O3

C4AF

El cálculo de la composición potencial del cemento Portland está basado en el trabajo de R.H. Bogue y otros, y se conoce como “composición de Bogue”. Las ecuaciones para los porcentajes de los principales componentes en el cemento aparecen en seguida. Los términos entre paréntesis presentan el porcentaje del óxido específico en el total de la masa del cemento. C3S = 4,07(CaO) – 7,60(SiO2) – 6,72(Al2O3) – 1,43(Fe2O3) – 2,85(SO3). C2S = 2,87(SiO2) – 0,754(3CaO.SiO2). C3A = 2,65(Al2O3) – 1,69(Fe2O3). C4AF = 3,04(Fe2O3). Los silicatos, C3S y C2S, son los componentes más importantes y los causantes de la resistencia de la pasta hidratada de cemento. En realidad, los silicatos en el cemento no son componentes puros, sino que contienen óxidos menores en soluciones sólidas. Estos óxidos tienen efectos significativos en los ordenamientos atómicos, en la forma de los cristales y en las propiedades hidráulicas de los silicatos. La presencia de C3A en el cemento no es deseable, ya que contribuye poco o nada a la resistencia del mismo, excepto en las primeras etapas; y cuando la pasta de cemento endurecida es atacada por sulfatos, la formación de sulfoaluminato de calcio puede causar resquebrajamientos. Sin embargo, el C3A es benéfico durante la elaboración del cemento, porque favorece la combinación de cal y sílice.

El C4AF también está presente, en pequeñas cantidades, en el cemento y, en comparación con los otros tres componentes, no influye significativamente en su comportamiento; sin embargo, reacciona con el yeso para formar sulfoferrita de calcio y su presencia puede acelerar la hidratación de los silicatos. Además de los componentes principales anteriormente señalados, hay componentes menores como MgO, TiO2, Mn2O3, K2O y Na2O; que por lo general no representan más que un pequeño porcentaje de la masa de cemento. De estos componentes menores, dos son de interés: los óxidos de sodio y potasio (Na2O y K2O), conocidos como álcalis. Se sabe que reaccionan con algunos agregados, los productos de la reacción álcali-agregado, lo cual causa desintegración del concreto; también se ha observado que afectan al índice de incremento de la resistencia del cemento. Por tanto, cabe destacar que el término “componentes menores” se refiere a su cantidad y no necesariamente a su importancia (Neville y Brooks, 2010). La tabla 4, presenta la composición de óxido de un cemento típico y la composición calculada del compuesto, obtenida por medio de la ecuación de Bogue mencionada anteriormente. Tabla 3. Composiciones de óxidos y compuestos de un cemento Portland típico. Composición óxida típica (%)

Composición calculada del compuesto (%)

CaO

63,0

C3A

10,8

SiO2

20,0

C3S

54,1

Al2O2

6,0

C2S

16,6

Fe2O3

3,0

C4AF

9,1

MgO

1,5

Componentes menores

-

SO3

2,0

K2O Na2O

1,0

Otros

1,0

Pérdidas en encendido

2,0

Residuos insolubles

0,5

Residuos insolubles: es una medida de adulteración del cemento que se eleva considerablemente por las impurezas del yeso.

Pérdida en encendido: muestra la amplitud de la hidratación y carbonatación de la cal y el magnesio libres debido a la exposición del cemento a la atmósfera. Cuando los componentes presentes en el cemento están indicados como elementos y no como óxidos, es necesario realizar una transformación de éstos elementos utilizando factores de conversión, para así poder utilizar las ecuaciones de Bogue y obtener finalmente los componentes principales del cemento. Los factores de conversión de elementos a óxidos utilizados son los proporcionados por el SGI laboratorio de rayos X, de la Universidad de Sevilla, España. Tabla 4. Factores de conversión de elementos a óxidos. Elemento

Factor de conversión

Óxido

Ca

1,3992

CaO

Si

2,1393

SiO2

Al

1,8895

Al2O3

Fe

1,4297

Fe2O3

Mg

1,6583

MgO

S

2,4971

SO3

K

1,2046

K2O

Na

1,3480

Na2O

Ti

1,6680

TiO2 (Fuente: Elaboración propia)

Cementos Portland-puzolana [Tipos IP, P e I (PM)]. Estos cementos se hacen mezclando o moliendo puzolanas y cemento portland. Por lo general, estos tipos de cemento generan una resistencia lenta y al largo plazo es alta. En la figura 1, se muestra que ocurren comportamientos semejantes cuando la puzolana sustituye parte del cemento, pero la resistencia en el largo plazo dependerá del nivel de sustitución.

Figura 1. Rangos relativos típicos del desarrollo de la resistencia del hormigón de cemento Portland (control) y hormigón con sustitución de ceniza de combustible pulverizado (CCP).

La norma ASTM C595-83a describe el tipo IP para construcciones en general y el tipo P, para usarse cuando no se requiera una gran resistencia en las etapas tempranas; el tipo I (PM) es un cemento portland-puzolana modificado que se usa en construcciones en general. El contenido de puzolana está limitado de 15 a 40% de la masa total de material aglutinante para los tipos IP y P, mientras que el tipo I (PM) requiere menos de 15% de puzolana. De acuerdo con la BS 4627:1970, el contenido de puzolana en este tipo de cemento queda limitado a 20% de la masa, sin embargo en la versión BS 6588: 1985 se propone que este límite se eleve a 35%. La norma BS 3892: Parte 1: 1982 especifica el contenido de ceniza volante o ceniza de combustible pulverizada (CCP), entre un 25 y 40% de la masa. El uso de la CCP mejora la resistencia del sulfato, además de que puede usarse con cementos portland de bajo calor, de alto horno o portland de alto horno y bajo calor, siempre que no afecte negativamente sus propiedades más importantes. Los cementos puzolánicos suelen ser más baratos que el cemento portland, al cual sustituyen, pero su ventaja principal radica en su hidratación lenta

y, por tanto, en su bajo índice de desarrollo de calor. De aquí que el cemento portland-puzolana o una sustitución parcial de cemento portland por puzolana, se use en construcciones de hormigón masivos (Neville y Brooks, 2010)....