Capítulo 3 Cemento. Introducción

Transcripción

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2 Capítulo 3 Cemento Introducción El cemento es un polvo de color gris o blanco que se comercializa empacado en sacos de 50 kg. Su nombre proviene del latín cementatun. Los romanos lo llamaban opus cementatium (obra cementicia) Es el material que se emplea para adherir los materiales pétreos en la construcción de edificios y obras de ingeniería civil. También se le conoce como cemento hidráulico, denominación que comprende los aglomerantes que fraguan y se endurecen una vez que se mezclan con agua o estando bajo el agua. Los principales usos del cemento en la actualidad son la elaboración de mortero y de concreto armado. El primero se utiliza desde épocas milenarias; en México se le emplea para la fabricación de mamposterías que son la base en la construcción de viviendas. El concreto armado inició su uso desde el siglo XIX; por su resistencia es común su utilización en todo - tipo de estructuras, incluidas las de la vivienda. 37 IMCYC

3 IMCYC Figura 3-1. El cemento es el material que se emplea para adherir materiales pétreos en la construcción. Historia El barro, material básico de la cerámica, podría decirse que fue el primer cemento por sus características plásticas, por ser moldeable a la forma que el artesano deseara. Además cuando el fuego lo endurece da como resultado un material que, aunque frágil, es aparentemente indestructible, no se corroe como el metal ni se arruina. Los griegos y los romanos usaron un material aglutinante como la cal hidráulica. Es decir minerales ricos en silicatos y aluminatos de calcio. Griegos primero y romanos después, usaron cal y cenizas volcánicas para preparar las argamasa de sus construcciones. Esta mezcla reaccionaba lentamente cuando se le agregaba agua. 38

4 Figura 3-2. De la observación del efecto casual que produce el polvo que desprenden las piedras calcinadas por las fogatas, surge el material que al hacerse lodo con el agua, se petrificó atrapando desperdicios, huesos y piedras. La sustancia aglomerante de los romanos y casi todas las edificaciones europeas en los primeros 17 siglos de la era cristiana fue muy semejante, aunque la manera de prepararla se fue alterando con el tiempo. En 1824, el inglés Joseph Aspdin, obtuvo una excelente cal hidráulica sobre la base de una mezcla sintética de cal y arcillas cocidas a alta temperatura Aspdín patentó el procedimiento y el nuevo material, al que llamó cemento Portland. En 1824, el hijo de Aspdin obtuvo un cemento de resistencia superior cocido a mayor temperatura. Fue tan bueno que mereció ser utilizado en la construcción del edificio del Parlamento de Londres ( ). Tal vez Isaac Charles Johson lo industrializó en el sureste de Inglaterra hacia En 1852, al descubrirse las propiedades hidráulicas latentes en los desechos granulados en los altos hornos, se mejoró la fórmula del cemento portland. 39 IMCYC

5 IMCYC Figura 3-3 Así fue descubierta la propiedad aglutinante de la cal grasa o cal viva, al apagarse el fuego por la lluvia, descubrieron las propiedades cementantes del polvo de esas piedras. 40 Figura 3-4. Así se poseyó el conocimiento de la cal hidráulica, es decir, cal combinada con los silicatos y aluminatos del calcio de arcilla, cuyo endurecimiento se produce al combinarse con el agua. La fabricación del cemento se extendió rápidamente por Europa y Estados Unidos, en 1878 se establecieron en Alemania las primeras normas de fabricación.

6 Figura 3-5. La sustancia aglomerante de los romanos fue muy semejante al que hoy conocemos como cemento. A partir de este siglo se comenzó a diversificar al probar nuevos componentes, produciéndose cada vez con mayor calidad. En México, esta industria tiene un alto desarrollo, actualmente exporta a otros países. Componentes Para la fabricación del cemento se requieren dos materias primas esenciales: caliza y pizarra además, se emplean minerales de hierro y sílice en pequeñas cantidades. 41 IMCYC

7 IMCYC La caliza Es una roca sedimentaria formada por carbonato de calcio, muy abundante en la naturaleza. Se encuentra superficialmente en cerros y montañas, en depósitos de profundidad variable, que en algunos casos llegan hasta 200 metros. donde se extrae la caliza, para bajar el costo del cemento evitando largos acarreos del material. Cuando se va explotar un cerro con caliza, el grado de resistencia del material y el volumen determinan su utilidad; a través del análisis químico conocemos la calidad de una cantera de caliza, y se considera buena la que contiene carbonato de calcio en 95% o más. No es recomendable si contiene menos de 90 por ciento. Se emplean explosivos en las canteras, para extraer la materia prima. Debido a su dureza, una voladura produce de 30 a 100 mil toneladas de material. La pizarra Para fabricar el cemento se le requiere en grandes volúmenes, pues representa 80% de las materias primas. Las plantas que fabrican el cemento se establecen cerca de 42 Figura 3-6. Caliza Es una roca homogénea de color negro azulado y grano muy fino, que se divide con facilidad en hojas planas y delgadas. Son arcillas constituidas principalmente por óxidos de silicio de 45 a 65%, óxidos de aluminio de 10 a 15%, óxidos de fierro de 6a12porciento y cantidades variables de óxidos de calcio de 4a10porciento.

8 El sílice Figura 3-7. Pizarra Es una combinación del silicio con el oxígeno, y es la sustancia más importante del reino mineral, muy abundante. Al agregar arenas sílicas se obtiene el óxido de silicio que requiere la mezcla cruda. Es origen importante de álcalis. La localización de las plantas que fabrican el cemento obedece a la cercanía de los componentes, con lo cual se evitan altos costos de transportación. La pizarra constituye aproximadamente 15% de la materia prima. El sistema de extracción de estos minerales que son suaves relativamente, es semejante al de la caliza, requiriendo explosivos con menos potencia. Figura 3-8. Sílice 43 IMCYC

9 IMCYC La hematita Se llama así a la aportación del mineral de fierro, pudiendo ser varios minerales de fierro o escoria de laminación. El contenido de óxido férrico en la hematita es entre 75 y 90%. El contenido de óxido férrico en la mezcla se controla con estos minerales, constituyendo la hematita entre el 1 y 2% de la mezcla. El caolín Es el silicato de aluminio. Es una arcilla utilizada para la fabricación del cemento blanco, por su alto contenido de alúmina. Fabricación El cemento portland se fabrica en cuatro etapas básicas: Figura 3-9. Hematita. Figura Caolín 44

10 Figura Extracción de la piedra caliza de la cantera. Trituración y molienda de la materia prima. Mezcla de los materiales en las proporciones correctas, para obtener polvo crudo. Calcinación del polvo crudo. Molienda del producto calcinado, conocido como clínker, junto con una pequeña cantidad de yeso. El proceso de fabricación del cemento empieza con la extracción de la piedra caliza de la cantera. Esta piedra, la 45 IMCYC

11 IMCYC principal materia prima, debe ser reducida de tamaño, lo cual se hace en sucesivas etapas pasando del tamaño de la roca al de un grano de harina. Al iniciar el último paso de reducción se dosifican las otras materias primeras, la arcilla y el mineral de hierro. El material así preparado está listo para ingresar al horno, donde a altas temperaturas se transforman los óxidos naturales en un mineral artificial llamado clínker. La última parte del proceso consiste en la molienda del clínker con un poco de yeso natural para regular el fraguado, y cuando se agregan aditivos y otros materiales. 46 Figura Las materias primas consisten en combinaciones de rocas calizas, margas o coquillas y pizarra, arcilla, arena o mineral de hierro. El cemento ya está listo para las operaciones de ensacado y despacho. Tipos de cemento Cemento hidráulico. Es un materal inorgánico finamente pulverizado, que al agregarle agua, -ya sea sólo o mezclado con arena, grava, asbesto u otros materiales similares-, tiene la propiedad de fraguar y endurecer incluso bajo el agua, en virtud de reacciones químicas durante la hidratación y que, una vez endurecido, conserva su resistencia y estabilidad. Los cementos se clasifican conforme a la norma mexicana como sigue:

12 Figura El proceso de fabricación del cemento. 47 IMCYC

13 IMCYC Tipo CPO CPP CPEG CPC CPS CEG Denominación Cemento portland ordinario Cemento portland puzolánico Cemento portland con escoria granulada de alto horno Cemento portland compuesto Cemento portland con humo de sílice Cemento con escoria granulada de alto horno Cemento portland ordinario. Es el cemento producido a base de clínker portland y usualmente contiene sulfato de calcio. Cemento portland puzolánico. Es el conglomerante hidráulico que resulta de la molienda conjunta de clínker portland, materiales puzolánicos y usualmente contiene sulfato de calcio. Cemento portland con escoria granulada de alto horno. Es el conglomerante hidráulico que resulta de la molienda conjunta de clínker portland, escoria granulada de alto horno y usualmente contiene sulfato de calcio. Cemento portland compuesto. Es el conglomerante hidráulico que resulta de la molienda conjunta de clinker portland que usualmente contiene sulfato de calcio y una mezcla de materiales puzolánicos, escoria de alto horno y caliza. En el caso de la caliza, ésta puede ser componente único. Cemento portland con humo de sílice. Es el conglomerante hidráulico que resulta de la molienda conjunta de clinker portland, humo de sílice y, usualmente, sulfato de calcio. Cemento con escoria granulada de alto horno. Es el conglomerante hidráulico que resulta de la molienda conjunta de clinker portland, escoria granulada de alto horno y, usualmente, sulfato de calcio. Cementos resistentes a sulfatos. Se consideran cementos con una alta resistencia al ataque de sulfatos aquellos que por su comportamiento cumplen con el requisito de expansión limitada, de acuerdo con el método de prueba establecido. Cementos de baja reactividad álcali-agregado. Se consideran cementos de baja reactividad álcali-agre- 48

14 gado aquellos que cumplen con el requisito de expansión limitada en la reacción álcali-agregado, de acuerdo con el método de prueba establecido. Cementos de bajo calor de hidratación. Se consideran cementos de bajo calor de hidratación aquellos que desarrollan un calor de hidratación igual o inferior al especificado en la norma ofical mexicana. Cementos blancos. Se consideran cementos blancos todos aquellos cuyo índice de blancura es igual o inferior al especificado en la norma ofical mexicana. Usos principales En la vivienda El cemento es un material muy útil en la construccion y a la vez insustituible para muchos trabajos Mezclándolo con arena muy fina y agua se le emplea para aplicación de lechada en las cubiertas de los techos construidos con ladrillo. Revuelto con arena y agua se utiliza como mortero para pegar el tabique, block o tabicón, y en cimentaciones, para unir la piedra. También para el aplanado de los muros, tanto interiores como exteriores. Al mezclarlo con arena, grava y agua se obtiene el concreto. El mortero se utiliza en: Cimientos de mampostería de piedra Construcción de muros de ladrillos de barro y cemento Registros Bóvedas de tabique 49 IMCYC

15 IMCYC Revestimientos Pisos Colocación de mosaicos y azulejos Lechadas Piezas de construcción Tubería de drenaje Entre los numerosos usos del cemento en la vivienda están: 50 Pegar (juntear) la piedra, ya sea en cimentación o en muro. Unión con mortero, las piezas para levantar muros (tabique, tabicón, block, etc.). Aplanar muros y plafones con mortero (repellados, finos, serroteado rústico, etc.). Lechadear las cubiertas Fabricar block, también, mosaico, tubos de albañil, etc. Elaborar el concreto para losas, trabes, cimientos, etc. Otros usos Pero no sólo se le utiliza en la vivienda, sino también para construir caminos, aeropuertos, puentes, fábricas, etc. Además, la construcción de plantas de tratamiento de aguas residuales, drenajes y acueductos se hace con este producto. El cemento es un excelente estabilizante de residuos tanto municipales como industriales, que deben ser tratados antes de ir a rellenos sanitarios. La industria del cemento puede colaborar también para mejorar el ambiente. Su mejor aporte en este sentido consiste en la utilización de los hornos de fabricación de clinker para eliminar de una manera segura y definitiva una gran cantidad de residuos. Los hornos tienen la característica de aceptar como combustible muchos subproductos que tienen energía térmica (generan calor), municipales, llantas, plásticos, finos de coque, residuos hospitalarios,

16 aserrín y viruta de madera, residuos de coco, subproductos de la industria química, cáscara de arroz, etcétera. Características y ventajas El cemento portland, recibió su nombre por su descubridor, el inglés Joseph Aspdin, en 1824, debido a la semejanza que presentaba con el color de las piedras de las canteras de Portland, Inglaterra. Esta denominación se ha conservado hasta nuestros días. Sus propiedades adhesivas, así como cohesivas, le dan una capacidad de aglutinar (unir) fragmentos minerales para formar un todo compacto. El cemento tiene como principal característica la propiedad de fraguar (endurecerse) al contacto con el agua, en virtud de que experimenta una reacción química con ésta. Figura El cemento se debe almacenar en un lugar seco y evitar la humedad. La resistencia que puede adquirir el cemento depende de la proporción de agua al mezclarlo. El uso del cemento en la construcción es muy extenso y variado, y su misma utilidad lo hace imprescindible. Figura Se debe proteger de la lluvia. 51 IMCYC

17 IMCYC El cemento, mezclado con arena, da por resultado el llamado fino de cemento para muros o pisos. El mortero, que es la mezcla de arena con cemento, es útil en los aplanados de muros, para unir tabique, tabicón, block, piedra, etc. El cemento tiene la característica de aglutinar diferentes materiales, lo cual lo hace versátil para la construcción. La plasticidad que adquiere el cemento al mezclarlo con agua lo hace moldeable, es decir adopta la forma que determinamos con el molde. Su durabilidad lo hace ideal por su poco mantenimiento y su resistencia: al clima, al ataque de ácidos, a la abrasión, al impacto, etcétera. El cemento se usa en la fabricación de mosaicos, muebles (lavaderos), pisos de rodamiento vehicular, losas, muros, 52 Figura El uso del cemento se adapta perfectamente a los materiales que existen en la localidad o región donde se va a construir

18 tuberías, etcétera. Sus derivados como el asbesto cemento, empleado para fabricar láminas para techo, tejas, etc., tienen características muy apreciadas en la construcción. Durante el almacenamiento del cemento hay que evitar que se humedezca, ya sea por efecto del medio ambiente o por lluvia pues la humedad, provoca su fraguado. De ocurrir esto, cuando se le desee utilizar ya estará duro o pasado. Para protegerlo de la humedad del piso hay que apoyar los sacos de cemento en un nivel más elevado que el de aquél. (figura 3-14.) Cubrir los sacos para resguardarlos de la lluvia, por medio de un techo, plástico o cualquier material resistente al agua, asegura la utilización del cemento. (figura 3-15.) Además, será muy aconsejable almacenar el producto en un lugar ventilado donde se evite la acumulación de humedad. Al abrir un saco, es conveniente no guardar por mucho tiempo el sobrante, pues éste reacciona con la humedad del ambiente, inutilizándolo. Comprar sólo el material que vamos a utilizar ayuda a administrar nuestro gasto, pues aseguramos que no se eche a perder por un largo almacenamiento. El cemento y el autoconstructor El cemento es un material útil en la construcción y a la vez insustituible en muchos trabajos. Su facilidad de uso y manejo lo hace ideal para el autoconstructor, su durabilidad y sus múltiples aplicaciones (pisos, muros, aplanados, techos, plafones, etc. ). Se adquiere por kilogramos, sacos (de 50 Kgs. ) o a granel, en la tlapalería, o cualquier expendio de materiales, en todas las localidades de la república mexicana. Se puede aplicar en cualquier clima, con solo observar pequeños consejos. 53 IMCYC

19 IMCYC En el presente Manual para la autoconstruccion de vivienda aprenderemos a usar adecuadamente el cemento, y con ello podremos apreciar su sencillez y fácil manejo para resolver cada una de las necesidades y obtener una vivienda cómoda. Es importante resaltar que, para obtener las ventajas óptimas del material, en cualquiera de sus aplicaciones, se requiere respetar el sistema y método para su elaboración, que aquí se enseña. El agua como fraguante, para mezclar con el cemento, tendrá características especiales entre las que destaca su pureza. Su pureza, es decir deberá estar libre de materias orgánicas, contenido de sales, etcétera. Control de calidad México es un importante exportador de cemento, tanto a los Estados Unidos de Norteamérica como a Europa y Asia. 54 Esto gracias al riguroso control de calidad que se logra en la fabricación del cemento, con la aplicación de la más alta tecnología en los laboratorios, con los diferentes instrumentos adaptados a las diversas fases del proceso, desde la obtención de las materias primas hasta los productos intermedios y los terminados. Control químico Figura 3-17 A partir de su composición química son calculados sus compuestos potenciales. Con el equipo de espectometría de rayos X automático se realiza el control de la mezcla cruda. En la composición química se necesita un control exacto, y su eficiencia y prontitud se ejecuta a cada hora, tomando muestras de las unidades de molienda en crudo, y modificándose las proporciones de caliza, pizarra, sílice y hematita según se requiera.

20 Figura En la fabricación del cemento se aplica la más alta tecnología en los laboratorios y en las diversas fases del proceso. Otro equipo comprueba la perfecta calcinación del polvo crudo. La calidad del clínker es evaluada por medio del análisis por rayos X; a partir de su composición química son calculados sus compuestos potenciales, como los silicatos y los aluminatos de calcio. En el caso de los silicatos se efectúa una prueba por turno, es decir, cada ocho horas. Control físico Cada 24 horas se realizan las pruebas para determinar la resistencia a la compresión, el fraguado inicial y final, así como la sanidad. La llamada prueba Blaine, que mide la finura del cemento, se obtiene cada hora, con muestras de la planta. La unidad de medida es cm 2 / gr, que nos permite saber la superficie 55 IMCYC

21 IMCYC Figura El cemento se aplica según el material (piedra, arena, confitillo, tzakab, cal, etc.), de acuerdo a una dosificación o cantidad determinada.. 56

22 que ocupa un gramo de polvo. Hay cementos, que llegan a alcanzar finuras de 3,500 a 4,000 cm 2 /gr. Otros procesos para el control son a base de tamices que miden el grado de finura. Las prensas determinan la resistencia a la compresión: balanzas, parrillas donde se secan la pruebas que se tamizan en vía húmeda; para la determinación del carbonato de calcio se usan reactivos. En la elaboración de series patrón estándar se utiliza la prueba de absorción atómica. Para determinar la distribución del tamaño de las partículas de cemento se utiliza el equipo de sedigraph, que define el punto de partida para dar las condiciones de operación de las unidades de molienda. 57 IMCYC