Captulo II

LOS CEMENTOS Hay una gran variedad de cementos que son ampliamente utilizados en la industria de la construc-cin y edificacin o para solucionar problemas especficos de ingeniera. La composicin qumica de estos cementos es muy diversa, sin embargo la mayor cantidad de concreto usado hoy da est hecho con cementos Prtland. Debido a esto, este captulo discutir en detalle la composicin de los cementos Prtland y describir brevemente los cementos especializados. El nombre Prtland es un nombre comercial y por tanto no da ninguna indicacin de la composicin o propiedades. El nombre agrupa a una familia de cementos con propiedades similares. Se pueden fabricar diferen-tes tipos de cementos Prtland para propsitos especficos por modificacin de ciertas propieda-des y luego examinaremos como se logran estas modificaciones con una adecuada manipulacin de la composicin bsica del cemento Prtland. 2.1 MANUFACTURA DEL CEMENTO PRTLAND En principio la manufactura del cemento Prtland es muy simple y se apoya en el uso de abundan-te materia prima. Se obtiene a partir de una mezcla ntima de calizas y arcilla, la cual se calienta en un horno entre 1400 C y 1600 C, temperatura a la cual los dos materiales interactan qumi-camente para formar silicatos clcicos. En la prctica, debido a la gran cantidad de materiales que se procesan y las altas temperaturas requeridas, se debe poner especial cuidado en cada una de las etapas del proceso a travs de un adecuado control de calidad (Figura 2.1).

Figura 2.1. Esquema de las condiciones y reacciones en un horno rotatorio de cemento (proceso

en seco) Materia prima Cementos de alta calidad requieren materia prima de adecuada pureza y composicin uniforme. Las calizas (carbonato de calcio) son la fuente ms comn de xido de calcio, aunque se pueden utilizar otras formas de carbonato de calcio tales como tizas, depsitos de pizarras y lodos calc-reos. Frecuentemente las plantas se ubican cerca de los depsitos calcreos, dado que casi siem-pre es posible encontrar depsitos de slice adecuados en la proximidad. Los compuestos que se derivan del hierro y xidos de aluminio contenidos en la materia prima silcea contribuyen poco a la resistencia del cemento y ms bien pueden ocasionar problemas de durabilidad y fragua anormal. Esto podra llevar a pensar que el uso de slice pura llevara a obte-ner un mejor cemento; sin embargo la slice pura es un material relativamente no reactivo, y ms an, mezclas de slice y cal puras tienen muy altas temperaturas de fusin (por encima de 2000

2 UDEP/DIC Curso: Tecnologa del concreto C). De este modo la reaccin entre los dos componentes ocurrira a travs de un lento proceso de sinterizacin. Los xidos de aluminio y hierro actan disminuyendo la temperatura de fusin de una porcin de la materia prima hasta las temperaturas alcanzadas por la llama. Preparacin de la materia prima El objeto del procesamiento previo de la materia prima es lograr una materia prima de composicin constante y completamente mezclada al ingreso del horno. Fallas en esta etapa de preparacin de la materia prima llevaran a obtener un cemento con composicin variable y propiedades imprede-cibles. La temperatura ptima de quemado tambin variara con la variacin de la composicin qumica de la materia prima. Adems, si las partculas de materia prima fueran muy grandes no se lograra una reaccin qumica completa durante el tiempo de permanencia en el horno y resultara un cemento de baja calidad. La secuencia exacta de operacin en esta etapa podra variar de planta a planta dependiendo de la materia prima, el equipamiento y el diseo de la planta. En el proceso hmedo cada material es extrado, chancado y almacenado por separado para luego mezclarlos en las proporciones requeridas a fin de lograr una alimentacin con materia prima de composicin adecuada. La mez-cla de los materiales podra tener lugar durante la molienda fina o despus de que cada material haya sido molido por separado. Por ejemplo las partculas de arcilla pueden separarse a travs de un mecanismo de agitacin en agua hasta lograr una suspensin. La molienda hmeda de la cali-za se lleva a cabo separadamente en otro molino para formar una segunda suspensin. Cuando se usan suspensiones el mezclado y dosificacin son muchos ms eficientes. Sin embargo, el costo se incrementa sustancialmente debido a la necesidad de evaporar una gran cantidad de agua. Las mejoras introducidas en los sistemas de molienda han tornado al proceso hmedo obsoleto y antieconmico; las plantas modernas de cemento utilizan procesos en seco. La energa adicional que podra requerirse en la molienda en seco es ms que compensada con el ahorro de energa en el horno. Sin embargo, an en el proceso en seco podra aadirse agua al material de alimen-tacin para granularlo, mejorar el manejo y lograr un buen contacto en el horno. En el proceso en seco se debe tener cuidado para evitar una excesiva prdida de polvo. Comn-mente se usa un circuito cerrado de molienda con equipos de clasificacin para evitar la molienda excesiva y excesiva prdida de polvo. Los materiales molidos se almacenan en silos y el mezclado final se completa durante la transferencia al silo final de almacenamiento, antes de ser enviado al horno. En algunas plantas se usa el proceso semihmedo. En este caso la materia prima se prepara como en el proceso seco, pero se le aade 12 a 14 % de agua para formar ndulos, los cuales se alimentan en el horno por medio de movimiento vibratorio. El proceso de quemado Una vez que la materia prima ha sido satisfactoriamente molida y mezclada, est lista para ingre-sar al horno. Este tratamiento es llamado clinkerizacin para distinguirlo de sinterizacin (donde no ocurre derretimiento) y fusin (donde ocurre un derretimiento total). El horno de cemento es un cilindro de acero recubierto con ladrillos refractarios inclinado unos pocos grados con respecto a la horizontal, el cual rota alrededor de su eje a aproximadamente 60 a 200 revoluciones por hora. Algunos hornos modernos pueden tener 6,00 m de dimetro y ms de 180 m de longitud con una capacidad de produccin mayor a 5000 ton/da utilizando el proceso en seco. El ingreso de la ma-teria prima ocurre por el extremo superior del horno y la combinacin de inclinacin y rotacin mueve lentamente el material a lo largo del horno. En el proceso hmedo el material podra estar en el horno alrededor de 2 a 2,5 horas, esto se reduce para procesos en seco hasta 1 1,5 horas y hasta 20 minutos para algunos hornos con modernos intercambiadores de calor. El combustible se inyecta y quema en el extremo inferior del horno y los gases calientes pasan a travs del horno. El combustible tradicionalmente usado es el polvo de carbn. De este modo la materia prima in-gresa gradualmente a zonas de mayor temperatura. En el horno ocurren cuatro procesos distintos: evaporacin, calcinacin, clinkerizacin y enfriamiento. Los gases salen por el extremo superior a una temperatura de 240 a 450 C y rpidamente elevan la temperatura de la materia alimentada hasta el punto en el cual se pierda el agua libre por evaporacin. Una vez que el agua se pierde, la

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carga se calienta rpidamente hasta temperaturas superiores a los 600 C, momento en el cual la materia prima empieza a descomponerse (calcinar) perdiendo el agua enlazada y el CO2 generado por la descomposicin trmica de la caliza (CaCO3 CaO + CO2). La zona de calcinacin se extiende un poco ms all de la mitad de la longitud del horno y transforma la carga en una mezcla reactiva que puede entrar en nuevas combinaciones qumicas. La combinacin qumica inicial tiene lugar al final de esta parte alrededor de 1200 C, cuando los aluminatos clcicos y la fase ferrita reaccionan en estado slido. Estos componentes se derriten a 1350 C aproximadamente, temperatura a la cual empieza la clinkerizacin. La zona de clinkerizacin ocupa alrededor de la cuarta parte de la longitud del horno, pero es la zona ms caliente del horno, donde se forman los silicatos clcicos en la fase lquida de la carga. Los materiales alcanzan temperaturas del orden de 1400 a 1600 C durante los 15 a 45 minutos que el material permanece en esta zona. A medida que la carga pasa a la altura de la llama (en el tramo final del horno) su temperatura desciende rpidamente. La velocidad de enfriamiento puede alterar significativamente la velocidad de cristali-zacin de los nuevos componentes del cemento desde su estado lquido, y por lo tanto alterar la reactividad del cemento final. Proceso final El material que sale del horno es conocido como clnker, el cual est formado por ndulos porosos de color gris oscuro y de dimetro variable entre 6 y 50 mm, los cuales estn an calientes y re-quieren un posterior enfriamiento. Luego el clnker se lleva a un molino de bolas donde se muele hasta convertirlo en un polvo muy fino, para su comercializacin. El clnker se muele con una pe-quea cantidad de yeso para controlar la reaccin temprana del aluminato triclcico (C3A). Sin la adicin del yeso, el C3A puede causar la fragua instantnea del clnker. Por lo tanto el cemento Prtland es clnker molido con yeso, sin la adicin de yeso es nicamente clnker molido. El ce-mento molido se almacena listo para su comercializacin luego de un mezclado final para mejorar la uniformidad del comportamiento del producto y para promediar pequeas diferencias en la com-posicin qumica por condiciones de quemado que inevitablemente ocurren durante el proceso anteriormente descrito. 2.2 COMPOSICIN DEL CEMENTO PRTLAND Composicin qumica La composicin qumica de un cemento Prtland de uso ordinario se muestra en la tabla 2.1 Tabla 2.1. Composicin tpica del cemento Prtland ordinario

Nombre qumico Frmula qumica Notacin corta % en peso Silicato triclcico 3CaO.SiO2 C3S 50 Silicato diclcico 2CaO.SiO2 C2S 25 Aluminato triclcico 3CaO.Al2O3 C3A 12 Ferroaluminato tetraclcico 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF 8 Sulfato de calcio dihidratado (yeso) CaSO4.2H2O CS H2 3,5

En la tabla 2.1 se observa que la suma de los porcentajes de los componentes es menor a 100 %, el faltante est formado por impurezas. Asimismo se puede observar que el 75 % est formado por los silicatos clcicos, los cuales adems son los responsables de sus cualidades cementantes. Las frmulas qumicas de los componentes son tradicionalmente escritas como xidos con nota-cin frecuentemente usada en la qumica de los cermicos. Esto ha dado paso a una nica nota-cin corta de uso universal y que se resume en la tabla 2.2. El anlisis qumico del cemento Prtland se hace rutinariamente con mtodos estndar y cada elemento se reporta como su xido. Un anlisis tpico se da en la tabla 2.2. Se pueden ver las impurezas cuyo efecto se discutir ms adelante. Utilizando la composicin estequiomtrica de estos xidos, es posible calcular la composicin del cemento. Esto es conocido como clculo de Bogue. Aunque se han desarrollado procedimientos ms sofisticados, un simple clculo de Bogue, indicado en la Norma ASTM C 150, es suficiente

4 UDEP/DIC Curso: Tecnologa del concreto para la mayor parte de propsitos. Las ecuaciones necesarias se dan a continuacin; en ellas, las cantidades C2S, A, F, C3S, etc. representan los porcentajes en peso de los distintos componentes. Tabla 2.2. Composicin tpica de los xidos de un cemento Prtland de uso general xido Notacin corta Nombre comn Porcentaje en peso CaO C Cal 64,67 SiO2 S Slice 21,03 Al2O3 A Almina 6,16 Fe2O3 F xido frrico 2,58 MgO M xido de magnesio 2,62 K2O K lcalis

0,61 Na2O N 0,34 SO3 S Trixido de azufre 2,03 CO2 C Dixido de carbono -.- H2O H Agua -.-

Caso A: A/F 0,64

C3S = 4,071 C 7,600 S 6,718 A 1,430 F 2,852 S C2S = 2,867 S 0,7544 C3S C3A = 2,650 A 1,692 F C4AF = 3,043 F

Caso B*: A/F < 0,64

C3S = 4,071 C 7,600 S 4,479 A 2,859 F 2,852 S C2S = 2,867 S 0,7544 C3S C3A = 0 C4AF* = 2,100 A + 1,702 F

* Nota: En el caso B, el C4AF tiene una composicin diferente a la del caso A. El C2F podra tam-bin estar presente y se incluye en la cantidad calculada. Clasificacin ASTM Gracias al conocimiento de la composicin del cemento es posible predecir sus propiedades. Se puede manipular la composicin para modificar ciertas propiedades de modo que se consiga mejo-rar su comportamiento en alguna aplicacin particular. Hidratacin del cemento Cuando el cemento se mezcla con agua sus componentes sufren una serie de reacciones qumi-cas, responsables del eventual endurecimiento del cemento. Las reacciones con el agua se lla-man reacciones de hidratacin, y producen nuevos slidos llamados productos de hidratacin. Todas las reacciones qumicas incluyendo las de hidratacin pueden describirse a travs de ecua-ciones estequiomtricas, velocidades de reaccin y calores de reaccin. Tambin en el caso de la qumica del cemento es de inters conocer si los productos de la hidratacin contribuyen a la re-sistencia de la pasta de cemento endurecida. Las caractersticas de hidratacin de los componen-tes del cemento se resumen en la tabla 2.3. Las velocidades de hidratacin de los componentes del cemento puro se dan en la figura 2.2 a. All se puede ver que el C3A y el C3S son los componentes ms reactivos mientras que el C2S reacciona mucho ms lentamente. La presencia de yeso disminuye la velocidad inicial de hidrata-cin del C3A. No se dispone de datos cuantitativos para el C4AF, pero se cree que la reaccin del C4AF-yeso-agua es algo ms lenta que la del C3S, mientras que la hidratacin del C4AF sin yeso es mucho ms rpida. La velocidad de hidratacin en el cemento Prtland se grafica en la figura 2.2 b donde se puede ver que C3S (alita) y C2S (belita) reaccionan ms rpidamente cuando lo

Captulo II. Los cementos. 5

hacen en las pastas puras, y C4AF hidrata ms lentamente que C3S. La velocidad instantnea de hidratacin depende de cada cemento en particular. Cabe hacer notar que durante la hidratacin del cemento tanto C3A como el C4AF reaccionan con yeso as como con el agua. Tabla 2.3. Caractersticas de hidratacin de los componentes del cemento

Componentes Velocidad de reaccin Cantidad de calor

liberado Contribucin al cemento

Resistencia Liberacin de calor C3S Moderada Moderada Alta Alta

C2S Lenta Baja Baja inicialmente y

luego alta Baja

C3A + C S H2 Rpida Muy alta Baja Muy alta

C4AF + C S H2 Moderada Moderada Baja Moderada

Figura 2.2. Velocidad de hidratacin de los componentes del cemento:

(a) en pastas de los componentes puros; (b) en pastas de cemento tipo I.

Las velocidades de reaccin no guardan relacin; sin embargo el desarrollo de la resistencia del cemento Prtland, como se muestra en la figura 2.3, es producto de la hidratacin del C3S y C2S. El C3S proporciona la mayor parte de resistencia temprana (en las primeras 3 4 semanas) y am-bos silicatos clcicos contribuyen a la resistencia final.

6 UDEP/DIC Curso: Tecnologa del concreto

Figura 2.3. Desarrollo de resistencia a la compresin de los com-

ponentes puros del cemento. Todas las reacciones de hidratacin son de tipo exotrmicas, es decir producen calor. Por este motivo el calor generado durante el proceso de endurecimiento del cemento, calienta continua-mente el concreto. El aumento de temperatura en una seccin de un elemento de concreto depen-der de que tan rpido se produce el calor a partir de los procesos de hidratacin y que tan rpido se pierde a travs de la superficie del elemento hacia los alrededores. La contribucin de cada componente a la velocidad total de liberacin de calor es funcin del calor de hidratacin, la velo-cidad de hidratacin y la fraccin del componente en el cemento. Mediante mltiples anlisis de regresin se obtienen las siguientes relaciones para el calor de hidratacin en J/g de un cemento tpico: H 3 das = 240(xC3S) + 50(xC2S) + 880(xC3A) + 290(xC4AF) (2.1 a) H 1 ao = 490(xC3S) + 225(xC2S) + 1160(xC3A) + 375(xC4AF) (2.1 b) Las cantidades de cada componente se expresan como fracciones en peso (xi) del cemento. Los coeficientes en la ecuacin 2.1 b son similares a los calores de hidratacin total de los componen-tes puros. Tipos de cementos Prtland segn ASTM ASTM reconoce cinco tipos de cemento Prtland, los cuales se diferencian nicamente por las cantidades relativas de los componentes; debido a estas diferentes proporciones los cementos obtenidos tienen un comportamiento diferente principalmente en la velocidad de hidratacin, ga-nancia de resistencia y resistencia al ataque de sulfatos. Estos cementos son generalmente cono-cidos por su designacin ASTM o descripcin equivalente. La tabla 2.4 indica la composicin tpi-ca de estos cementos. El cemento ASTM tipo I es el ms comnmente utilizado cuando no se requiere propiedades es-peciales. Sin embargo cuando se necesita una mayor velocidad de endurecimiento, como por ejemplo, en la fabricacin de elementos prefabricados donde los moldes son reutilizados o cuando se va a colocar concreto a bajas temperaturas podra especificarse un cemento tipo III. El efecto se puede lograr aumentando la proporcin del C3S o, mejor an, aumentando la fineza del cemen-

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to. La ganancia de resistencia del cemento tipo III a la edad de 1 da es casi el doble de la del ce-mento tipo I. Tabla 2.4. Composicin qumica tpica y propiedades del cemento Prtland tipos ASTM tipos I a V

Componente/Propiedad I II III IV V C3S 50 45 60 25 40 C2S 25 30 15 50 40 C3A 12 7 10 5 4

C4AF 8 12 8 12 10

C S H2 5 5 5 4 4 Fineza (superficie especfica Blaine, m2/kg) 350 350 450 300 350 Resistencia a compresin a (1 da , MPa) 7 6 14 3 6

Calor de hidratacin (7 das, J/g) 330 250 500 210 250 aMedida en cubos de mortero de 50 mm (2) (ASTM C 109). El alto contenido de C3S y la rpida velocidad de hidratacin conllevan una alta evolucin de calor. Si no se permite la disipacin del calor (condiciones adiabticas) la temperatura puede elevarse tanto como muestra la figura 2.4. En concretos masivos estas condiciones adiabticas se pueden presentar cuando el volumen del concreto es grande en comparacin con la superficie desde la cual se disipa el calor hacia los alrededores. La generacin de altas temperaturas internas se pro-duce principalmente en los primeros das, cuando el concreto est en condiciones relativamente plsticas, motivo por el cual no se producen daos inmediatos. Sin embargo el problema se pre-senta durante el enfriamiento que ocurrir cuando el concreto ha ganado rigidez. Debido a este enfriamiento, se producirn esfuerzos trmicos que podran llevar a agrietamientos por tensin. Por esta razn el cemento tipo III no debera utilizarse cuando se emplean secciones con espesor mayor a 0,50 m. Incluso usando cemento tipo I se pueden presentar aumentos de temperatura de hasta 30 C cuando el calor no se disipa rpidamente.

Figura 2.4. Velocidad de evolucin de calor (almacenado bajo

condiciones adiabticas) medido como aumento en la temperatura de la masa del concreto.

8 UDEP/DIC Curso: Tecnologa del concreto Este problema ha sido bien resuelto con el desarrollo del cemento tipo IV (de bajo calor de hidra-tacin). Puesto que el C3S y el C3A son los responsables de la mayor parte de la liberacin tem-prana de calor, la reduccin de estos componentes reducir sustancialmente la cantidad de calor producida (figura 2.4). Con el uso de cementos tipo IV se puede eliminar el agrietamiento trmico teniendo cuidado de controlar la temperatura inicial del concreto y asegurando una oportuna disi-pacin del calor. En concreto masivo no se presentan mayores consecuencias debido a la lenta velocidad de endurecimiento que resulta del bajo contenido de C3S. Otro problema superado fue el deterioro del concreto expuesto a aguas o suelos con altos conte-nidos de sulfatos. Un ejemplo obvio de tales medios agresivos es el agua de mar particularmente cuando el concreto est ubicado entre los niveles de alta y baja marea y expuesto al humedeci-miento y desecamiento. Otro ejemplo es el agua fretica con altos contenidos de sulfatos los cua-les son an ms agresivos que el agua de mar bajo total inmersin. El ataque por sulfatos implica una interaccin con los productos de hidratacin del C3A como se discutir posteriormente. Un medio para combatir el ataque de sulfatos es la disminucin del con-tenido de C3A y su reemplazo por C4AF. La experiencia ha demostrado que un modo confiable de proporcionar un comportamiento satis-factorio en los medios ms agresivos se consigue manteniendo el contenido de C3A por debajo del 5 % en peso, como ocurre en el cemento tipo V (tabla 2.5). Tabla 2.5. Tipos de cemento y requerimientos de la relacin agua/cemento en concreto que est en contacto con suelos y aguas freticas que contienen distintas concentraciones de sulfatos a

Grado poten-cial de ataque por sulfatos

Sulfatos solubles (SO4-2) en el suelo (%)

Sulfatos (SO4-2) en el agua freti-

ca (mg/L)

Tipo de cemento a usar

Mxima relacin agua cemento

Despreciable 0,00 0,10 0 150 Cualquiera -.- Moderado 0,10 0,20 150 1500 II 0,50 Considerable 0,20 2,00 1500 10 000 V 0,45 Severo > 2,00 > 10 000 V ms puzolana* 0,45 * Cuando se usa puzolana en concretos que contienen cemento Prtland tipo V debe comprobarse que esta es adecuada para mejorar la resistencia a los sulfatos. Fuente: Reglamento Nacional de Construcciones del Per. Para bajas concentraciones de sulfatos se pueden tolerar cantidades algo superiores de C3A, so-bre 8 % en peso. Por este motivo el cemento tipo IV es moderadamente resistente al ataque de sulfatos pero tiene la desventaja de un lento desarrollo de resistencia. Este ltimo inconveniente se ha superado con el desarrollo del cemento tipo II, el cual tiene un mayor contenido de C3S que el tipo IV, y por tanto, una ganancia de resistencia ms rpida, pero libera ms calor de hidrata-cin. Es similar al tipo V excepto por su ms baja resistencia al ataque de sulfatos. Especificaciones y propiedades La composicin qumica sealada en la tabla 2.4 es solo referencial y puede variar considerable-mente entre fabricantes. Debido a esto la especificaciones ASTM son en esencia especificaciones del comportamiento del cemento las cuales aseguran que cumplan ciertas especificaciones fsicas sin tener en cuenta la composicin qumica (ver: NTP 334.009 1997, Requisitos para cementos Prtland). En la mayor parte de los casos cuando se requieren propiedades especiales en el ce-mento se pueden obtener a partir del cemento tipo I aadindole aditivos como se discutir poste-riormente. En todos los tipos de cemento Prtland la suma del C3S y C2S es aproximadamente 75 % en peso. Por este motivo la resistencia final de concretos y morteros elaborados con estos cementos son similares incluso considerando que la ganancia de resistencia inicial es muy diferente. Esto se aprecia en la figura 2.5, aunque aquellos cementos que ganan resistencia ms lentamente gene-ralmente tienen resistencias finales ligeramente ms altas.

Captulo II. Los cementos. 9

Figura 2.5. Resistencia de cilindros de concreto de 6 de dimetro x

x 12 de alto elaborados con los mismos agregados pero con diferentes cementos.

Impurezas y xidos En la tabla 2.2 se muestran varias impurezas en forma de xidos. Algunas de ellas tales como el MgO, el Na2O y el K2O tienen considerable inters al momento de evaluar el comportamiento del cemento. A menudo se encuentran pequeas cantidades de otros xidos como el Mn2O3, P2O5 y TiO2 pero rara vez influyen significativamente en el comportamiento del cemento. Todos los componentes del cemento presentan pequeas cantidades de impurezas. As los silica-tos clcicos presentan alrededor de 3% en peso de impurezas en forma de xidos, principalmente Al2O3, Fe2O3 y MgO. El C3S impuro como se halla en el cemento Prtland se conoce como alita y el C2S impuro como belita, ambos son ms reactivos que los silicatos puros y se hidratan ms rpidamente. El C3A contiene considerables cantidades (cerca del 10% en peso) de SiO2 y Fe2O3, mientras que el C4AF contiene considerable SiO2 y tambin mucho MgO. De hecho la presencia del MgO en el C4AF le da al cemento Prtland su familiar color gris; el C4AF tiene un color marrn chocolate pero se vuelve negro cuando hay presencia de MgO. Los cementos con bajo contenido de MgO pueden tener un tono ligeramente marrn diferente. An cuando el C4AF est libre de impurezas, no tiene una estequiometra exacta como los otros componentes del cemento. En la mayora de los cementos Prtland la composicin cae en el ran-go de C6A2F a C6AF2 y rara vez se presenta como C4AF. Por esta razn a menudo se llama fase ferrita, para evitar la implicancia de una composicin fija. La reactividad de la fase ferrita decrece con el incremento del contenido de hierro. Se encuentran fases ferrita ricas en hierro en cementos con alto contenido de ferrita, como los cementos tipo V; algunos cementos tipo V pueden contener C2F en adicin a la fase ferrita.

10 UDEP/DIC Curso: Tecnologa del concreto A partir de la experiencia se han puesto lmites en el contenido de MgO de los cementos, de otro modo los morteros y concretos empezaran a expandirse y eventualmente se agrietaran algn tiempo despus del endurecimiento. Esto se debe al hecho de que la mayor parte del MgO se concentra como periclasa (MgO cristalino). Ordinariamente el MgO se hidrata muy rpidamente a Mg(OH)2, pero debido a que ha sido sometido a altas temperaturas en el horno, es mucho menos reactivo y la hidratacin tiene lugar despus que la pasta del cemento ha endurecido. La reaccin M + H MH implica una expansin en volumen slido, y por lo tanto las partculas de periclasa actan como centros expansivos que causan esfuerzos dentro de la matriz y eventual agrietamiento. Incluso si el contenido de MgO est dentro de las especificaciones (menos de 6 %), se podran producir daos si los cristales de periclasa en el clnker son muy grandes. Debido a ello el cemen-to debe tambin pasar la prueba de expansin en autoclave la cual acelera el potencial dao por expansin curando a altas temperaturas. Esta prueba tambin evala el efecto de la cal libre (cal no combinada) la cual puede causar expansin de manera anloga. Aunque no se limita especfi-camente por el ASTM, los contenidos de cal libre generalmente son menores de 0,5 % en la mayo-ra de los cementos comerciales. Otra forma de alterabilidad es aquella debida a la expansin resultante de altos contenidos de yeso, los cuales pueden reducir la resistencia de la pasta de cemento. Esto es debido a la forma-cin de etringita (C6A S H32) como se discutir en la hidratacin del cemento. La ASTM limita el contenido total de SO3. Hay una adicin ptima de yeso para cada tipo de cemento que asegura la mxima resistencia y la mnima contraccin por secado. La mayora de niveles ptimos de yeso son menores que la cantidad equivalente de SO3 permitida por la ASTM. La presencia de lcalis (Na2O y K2O) generalmente no causa ningn problema especial excepto cuando ciertos agregados reaccionan con ellos para producir un gel expansivo. Bajo estas circuns-tancias deberan utilizarse cementos bajos en lcalis. Es cada vez ms difcil producir econmica-mente cementos bajos en lcali, no solamente porque las fuentes de materias primas bajas en lcali son cada vez ms escasas, sino tambin porque los procesos modernos tienden a concen-trar loa lcalis en el clnker. Muchos de los lcalis en el material alimentado volatilizan, y en las plantas antiguas se ventilan por la chimenea. (Los lcalis recondensan como gases fros de chi-menea y se deben remover para cumplir con las regulaciones ambientales). En hornos con preca-lentadores, tanto los lcalis que condensan como los gases se recirculan a travs de la alimenta-cin, incrementando su contenido en lcali u obstruyendo los conductos de los precalentadores o vasos. El uso de carbn con alto contenido de azufre tambin incrementa la cantidad de lcalis en el cemento. La mayora de lcalis adicionados estn en forma de sulfatos alcalinos ms que como impurezas en los compuestos del cemento. Tambin se han puesto lmites al residuo insoluble que permanece cuando se disuelve el cemento en cido clorhdrico. As se evita la dilucin excesiva con materiales inertes. Los residuos insolu-bles se derivan principalmente del yeso adicionado, aunque una parte puede ser slice no reactiva. Mientras la norma ASTM C 150 los limita a 0,75 %, la BS 12 los fija en 1,5 %, as el lmite parece ser una cifra arbitraria. 2.3 CEMENTOS PRTLAND MODIFICADOS Todos los cinco tipos de cemento ASTM anteriormente discutidos contienen los cuatro componen-tes principales (C3S, C2S, C3A y C4AF) en distintas proporciones. Hay otros cementos Prtland que se obtienen por la adicin de otros materiales al clnker o por la formacin de otros componen-tes durante el quemado. Estos cementos se llaman cementos Prtland modificados puesto que son bsicamente cementos de silicatos clcicos. Cementos Prtland puzolnicos Los cementos Prtland se pueden mezclar con puzolanas como se especifica en la Norma ASTM C595. Una puzolana es una forma de slice reactiva finamente dividida, que reacciona con el hi-drxido de calcio presente en la pasta de cemento para formar C-S-H adicional. La reaccin puzo-lnica se discutir con ms detalle en captulos posteriores. Las mezclas ms importantes son las

Captulo II. Los cementos. 11

de tipo IP (15 a 40 % de puzolana) y tipo I PM (0 a 15 % de puzolana). La adicin de una puzo-lana generalmente reduce el calor de hidratacin y la resistencia temprana pero tambin puede mejorar la resistencia al ataque de sulfatos y a la reaccin lcali agregado, as como incrementar la resistencia final. Un cemento Prtland- puzolana pueden designarse como de moderado o bajo calor de hidratacin, o moderada resistencia a los sulfatos. Un cemento tipo IP es similar en pro-piedades a un tipo IV y un tipo I PM a un tipo II. Sin embargo, las propiedades del cemento origi-nal no cambiarn significativamente si se adiciona una baja proporcin de puzolana. Cemento con escoria La escoria de alto horno, un subproducto de la industria del hierro y el acero, tiene potencial como material cementante. La escoria se compone de cal, slice y almina con menor cantidad de xidos de magnesio, hierro y lcalis. La composicin depende de la materia prima y el proceso industrial utilizado, pero cuando se utiliza como cemento deber siempre tener un alto contenido de cal (aproximadamente 40 %). Adems la estructura fsica depende de la velocidad de enfriamiento; para usarlo como cemento se necesita un enfriamiento rpido para apagar el material, formar vi-drio reactivo y para prevenir la cristalizacin de compuestos qumicos no reactivos. La escoria generalmente se apaga con agua, un proceso conocido como granulacin. Cuando se prepara en forma vtrea, la escoria no hidratar, a menos que se active por adicin de otros compuestos; ge-neralmente se usa hidrxido de calcio o sulfato de calcio. Hay varias clase de cementos de esco-ria, dependiendo del tipo y cantidad del activador. Un ejemplo de estos cementos es el cemento MS mencionado en la Norma Tcnica Peruana 334.082 Cementos Prtland adicionados: Especificacin de la performance. Cemento de albailera Los morteros utilizados para asentar ladrillos y bloques tienen requerimientos especiales de traba-jabilidad, plasticidad y retencin de agua. Los cementos de albailera deben cumplir con la Norma Tcnica Peruana 334.069 para asegurar caractersticas de uniformidad. Este cemento es esen-cialmente un cemento Prtland tipo I mezclado con un material finamente dividido tal como cal o caliza molida junto con algn agente incorporador de aire. Estos aditivos proporcionan cohesivi-dad al mortero, mejoran su adherencia al ladrillo o bloque, y minimizan la prdida de agua debida a absorcin. El incorporador de aire adems proporciona resistencia al congelamiento. Los tipos y clases de cemento manufacturados en el Per se indican a continuacin:

Empresas Cemento Prtland Cemento Prtland adicionado I II V IP I(PM) MS I Co Cemento Andino X(1) X(1) X(1) X Cemento Lima X X(1) X Cemento Pacasmayo X X X X X X Cementos Selva X(1) X(1)(2) X(1)(2) X X Cementos Sur X X(2) X(2) X X Cementos Yura X X(2) X(2) X X (1) De bajo contenido de lcali (2) A pedido. Fuente: ASOCEM. http://www.asocem.org.pe/web/mercadocemento.aspx. (18/03/2014)

Materia primaEl proceso de quemadoProceso finalComposicin qumicaTabla 2.2. Composicin tpica de los xidos de un cemento Prtland de uso generalClasificacin ASTMTabla 2.3. Caractersticas de hidratacin de los componentes del cementoCementos Prtland puzolnicosCemento con escoriaCemento de albailera