El Cemento Portland: Fabricación, Composición y Propiedades

1. Fabricación del Cemento de Base Portland

1.1. Materias Primas

• Rocas calizas: CaCO₃ (aportan cal) + MgCO₃ (impurezas)
• Arcillas: SiO₂, Al₂O₃, H₂O (aportan sílice, alúmina y ferritos)

1.2. Dosificación de Materias Primas

La composición del crudo se designa mediante índices:

• Cálculo óptimo de cal del crudo (Módulo Hidráulico).
• El Módulo Silíceo.
• El Módulo de Fundentes.

1.3. Trituración y Molienda

Para una correcta cocción del crudo, el tamaño de las partículas debe ser <0,2 mm, conseguido mediante dos fases.

1.4. Clinkerización (Proceso de Cocción)

1. Secado del crudo (350 ºC): Se elimina el agua libre.
2. Calentamiento (550-900 ºC): Se elimina el agua químicamente combinada de las arcillas y estas se descomponen en sus óxidos (SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃). Se descompone el MgCO₃ en CO₂ y MgO.
3. Calcinación (900-1200 ºC): Se descompone el CaCO₃ en CO₂ y CaO, y se forman C₂S y C₄AF.
4. Reacciones Exotérmicas (1200-1300 ºC): Se produce un aumento de temperatura y la formación del Silicato Tricálcico (C₃S) y del Aluminato Tricálcico (C₃A).
5. Sinterización/Clinkerización (1300-1450 ºC): C₄AF y C₃A se funden a líquido mientras continúa formándose el Silicato Tricálcico (Alita, C₃S), que aparece como fase sólida.
6. Enfriamiento (1450-100 ºC): Debe ser lo más rápido posible, dado que el C₃S se podría descomponer en C₂S y CaO (cal libre, indeseada por su nocividad).

1.5. Molienda del Clinker y Adiciones

Para reducir el tamaño de los nódulos de clinker se usan molinos tubulares. Para cementos Portland tipo II, III, IV y V se añadirán escorias de horno alto, humo de sílice, etc.

2. Composición Química del Cemento Portland

Componentes Principales

• Silicato Tricálcico (C₃S)
• Silicato Bicálcico (C₂S)
• Aluminato Tricálcico (C₃A)
• Ferritoaluminato Tetracálcico (C₄AF)

Componentes Secundarios (Impurezas)

• Óxido de Calcio (CaO): Cal Libre
• Óxido de Magnesio (MgO): Magnesia Libre
• Óxido de Sodio (Na₂O): Álcalis
• Óxido de Potasio (K₂O): Álcalis
• Trióxido de Azufre (SO₃): Azufre

3. Fraguado y Endurecimiento del Cemento

• Fraguado: Consiste en el paso de la pasta del estado fluido al estado sólido mediante la hidratación de los componentes principales.
• Endurecimiento: Consiste en hacer el cemento más sólido y resistente (progresivo desarrollo de resistencias mecánicas).

4. Hidratación de los Componentes del Clinker

4.1. Silicato Tricálcico (C₃S)

• Aporta resistencias iniciales importantes y continuadas por bastante tiempo.
• A los 28 días se ha hidratado ≈60% y desprende gran cantidad de calor.
• Se forman tobermorita y portlandita.

4.2. Silicato Bicálcico (C₂S)

• Aporta pocas resistencias inicialmente, pero notables a partir de los 28 días.
• A largo plazo, las resistencias de C₃S y C₂S son iguales.
• A los 28 días se ha hidratado ≈20% y desprende poco calor.
• Se forma tobermorita y portlandita (en menor cantidad que con C₃S).

4.3. Aluminato Tricálcico (C₃A)

• Es el componente que antes termina su hidratación, lo que produce un falso fraguado.
• Por ello, se añade un regulador del fraguado para disminuir la solubilidad de aluminatos anhídridos, formando ettringita.

4.4. Ferroaluminato Tetracálcico (C₄AF)

• Este compuesto intentará unirse dando componentes expansivos.
• Tiene una hidratación lenta y no desprende calor.

4.5. Cal y Magnesia Libre (CaO y MgO)

• Ambas forman hidróxidos y producen expansión. Desprendimiento de calor muy alto.
• Origina una bajada de resistencias por el aumento del volumen que producen al hidratarse, siendo más perjudicial la magnesia porque se hidrata a más largo plazo.

4.6. Óxido de Sodio y Potasio (Álcalis del Cemento)

Aparecen por impurezas y su existencia no es deseada, ya que pueden reaccionar con los áridos, originando compuestos fuertemente expansivos en ciertas condiciones hidrotérmicas.

4.7. Trióxido de Azufre (SO₃)

La existencia de SO₃ no es deseada, ya que junto al agua forma ácido sulfúrico. Este puede reaccionar con la portlandita formando sulfato cálcico, y este, a su vez, reaccionar con C₃A formando ettringita, un compuesto expansivo que destruye el hormigón ya fraguado.

4.8. Pérdida por Calcinación

Con la pérdida por calcinación podemos detectar si el cemento no corresponde a las especificaciones. Si disminuye el volumen del cemento al someterlo a 900 ºC, el CO₂ que pudiera haber captado la cal libre al hidratarse se podría eliminar, lo que nos indicaría que el cemento se ha meteorizado. Esto es perjudicial, ya que indica que ha absorbido humedad, por lo que algunos elementos podrían haber comenzado el fraguado.

5. Factores que Influyen en el Comportamiento del Cemento

5.1. Calor de Hidratación

• Composición del cemento: A mayor C₃S, mayor desprendimiento de calor.
• Finura de molido: A mayor finura, más rapidez de hidratación y mayor desprendimiento de calor.
• Relación agua/cemento: A menor relación, mayor incremento de temperatura.

El aumento de temperatura puede ocasionar evaporación del agua de amasado, lo que origina grietas de evacuación, creando coqueras y provocando mala hidratación del cemento. Para evitar esto, debemos usar cemento adecuado y realizar un curado correcto.

5.2. Temperatura durante el Fraguado

En torno a 2 ºC se ralentiza la hidratación, pudiéndose detener a los 0 ºC. Por debajo de los 0 ºC habría problema de congelación y, por el contrario, a más de 40 ºC se evaporará el agua.

5.3. Estabilidad de Volumen

Los problemas de estabilidad de volumen son producidos por:

• Expansión de cal libre y magnesia. Este daño se produce cuando el cemento ha endurecido, por eso se limita su contenido.
• Aumento de temperatura en el fraguado, evaporando agua.
• Exceso de agua en el amasado.
• Expansión por reacción del C₃A no hidratado con aguas selenitosas.

Para obtener un cemento durable, se debe cuidar:

• La relación agua/cemento, debiendo ser lo menor posible (uso de plastificantes para mayor durabilidad).
• El curado, evitando la pérdida de agua por evaporación.

5.4. Estabilidad Química

El C₃S y C₂S forman Portlandita, que puede formar compuestos expansivos y fácilmente solubles que ataquen al C₃A. Por ello, se debe fijar la Portlandita (añadiendo puzolanas, cenizas volantes, etc.) para eliminar su facilidad de reacción.

6. Ataque y Degradación del Cemento Portland Endurecido

6.1. Agentes Físicos

El hielo (aumento de volumen) y la cristalización de sales. Son destructivos por sus fuerzas de expansión. Para evitarlo, se deben hacer hormigones ricos en cemento.

6.2. Agentes Químicos

• Gases contenidos en la atmósfera o en humos: El CO₂ contenido en la atmósfera reacciona con la Portlandita, produciendo carbonato cálcico (CaCO₃). La Portlandita, que protege las armaduras del hormigón de la corrosión, al ser carbonatada, provoca corrosión (carbonatación).
• Aguas puras, ácidas, selenitosas y marinas: Actúan como disolventes del cemento o generan cloruro de calcio, que es soluble.
• Compuestos orgánicos (grasas): Destrucción debido a la acción de ácidos grasos que, en contacto con los álcalis del cemento, forman jabón.

7. Adiciones y Componentes Secundarios del Cemento Portland

7.1. Clinker de Cemento Portland (K)

Material constituido por silicatos cálcicos (C₂S + C₃S) y por fases del clinker, conteniendo aluminio y hierro, formando C₃A (aluminato tricálcico) y C₄AF (ferritoaluminato tetracálcico).

7.2. Escoria Granulada de Horno Alto (S)

Es usada como adición y tiene propiedades hidráulicas cuando se activa (fija la portlandita).

7.3. Materiales Puzolánicos (P, Q)

Fijan la Portlandita y no reaccionan por sí mismos.

7.4. Cenizas Volantes (V, W)

Pueden ser de naturaleza silícea o calcárea. Se obtienen por precipitación electrostática o mecánica de partículas pulverulentas que provienen de hornos alimentados con carbón.

7.5. Caliza (L y LL)

Actúa como retenedor de agua en el cemento.

7.6. Humo de Sílice (D)

Con este componente, el cemento es más resistente inicialmente.

8. Definiciones Clave en la Química del Cemento

1. Portlandita: Producto resultado de la hidratación del C₃S y C₂S. Muy reactiva con otros compuestos, pudiendo formar compuestos expansivos que atacan al C₃A, y es fácilmente soluble.
2. Carbonatación: Reacción de la portlandita con el CO₂. Genera una bajada del pH que favorece la pérdida de protección de las armaduras ante la corrosión.
3. Tobermorita: Producto resultado de la hidratación del C₃S y C₂S. Es el principal componente del cemento y responsable de sus resistencias.
4. Ettringita: Producto resultado de la hidratación del C₃A. Es muy expansivo y provoca la fisuración del cemento. También se forma cuando el C₃A es atacado por sulfatos. Los cementos tipo I, II y III tienen bajos niveles de ettringita.
5. Puzolanas: Adición del cemento cuya función es reaccionar con la portlandita y así impedir que esta reaccione con compuestos nocivos para el cemento.

9. Designación y Tipos de Cementos (Normativa Europea)

Tipos Principales

• CEM I: Cemento Portland.
• CEM II: Cemento Portland con adiciones.
• CEM III: Cementos de horno alto.
• CEM IV: Cementos puzolánicos.
• CEM V: Cementos compuestos.

Códigos de Adiciones

• S: Escoria de horno alto.
• D: Humo de sílice.
• P: Puzolana natural.
• Q: Puzolana natural calcinada.
• V: Ceniza volante silícea.
• W: Ceniza volante calcárea.
• T: Esquistos calcinados.
• L: Caliza con un contenido en carbono orgánico total menor o igual a 0,5% en masa.
• LL: Caliza con un contenido en carbono orgánico total menor o igual a 0,2% en masa.

Clases de Resistencia y Propiedades Especiales

• R: Alta resistencia inicial.
• N: Resistencia media.
• L: Baja resistencia inicial.
• M: Combinación de compuestos.
• LH: Bajo calor de hidratación.
• SR: Resistente a los sulfatos.
• MR: Resistente al agua de mar.

Etiquetas: cemento Portland, clinkerización, fabricación cemento, hidratación cemento