1- u2 - Pl3 Plan de Leccion Hormigón y Materiales

8/19/2019 1- u2 - Pl3 Plan de Leccion Hormigón y Materiales

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Ing. María Carolina Escobar | Hormigón y materiales – Semestre II 2015Unidad 2 – Plan de lección 3

UNIDAD 2: CEMENTO PORTLAND

SUBTEMA: Introducción Proceso de fabricación Composición química Propiedades físicas y mecánicas

A.

Atraer la atención:El cemento es la materia prima para la producción del concreto, por esto es muy importante

entender su composición y propiedades. Esto nos ayudará como ingenieros civiles a evitar

problemas de durabilidad en nuestras construcciones al entender cómo funciona nuestro

principal material.

B.

Motivación:

1 Tomado de www.patologiasconstruccion.net

Fisuras como la que se muestran en la imagen anterior se deben a problemas de retracción del

concreto. Esto se puede prevenir si conocemos qué reacciones ocurren en sus componentes. Al

entenderlo correctamente evitaremos problemas de durabilidad y por tanto de estabilidad en

nuestras edificaciones. Así seremos mejores residentes de obra o supervisores estructurales.

C. Enlace:Una vez entendido qué es un conglomerante en la unidad anterior, estudiaremos el

conglomerante más usado en la industria de la construcción: el cemento portland.

I.

OBJETIVOSa.

Objetivo General:Iniciar el estudio de los materiales que componen el hormigón, desde su elemento esencial: el

cemento.

b.

Objetivos de específicos Reconocer el proceso de fabricación del cemento portland.


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Identificar la composición química del cemento portland.

Comprender las propiedades físicas y mecánicas del material.

TAREA: Iniciar el estudio de las propiedades básicas del cemento portland.CONDICIÓN: El estudiante cuenta con los planes de lección consignados en la plataforma

Blackboard®, así como la lectura autónoma de los temas sugeridos por el docente. Adicionalmente, se planteará un foro de discusión donde se responderán las dudas planteadas

durante el estudio de este plan de lección. NORMA: Se recomienda la lectura del capítulo 2 del libro Tecnología del concreto y delmortero de Sánchez de Guzmán, para complementar lo aprendido.

II.

DESARROLLO DEL TEMA

El cemento portland es uno de los materiales más comunes que se utilizan en nuestras obras civiles.

Tiene distintas aplicaciones y es el material base para crear morteros y concretos. Adicionalmente su

versatilidad ofrece beneficios tanto mecánicos como económicos.

En esta unidad, desarrollaremos las propiedades y características del cemento portland. También

identificaremos su proceso de fabricación y por último conoceremos las normas técnicas que se aplican

en Colombia para su control de calidad.

Proceso de fabricación

En Colombia, se desarrolló la industria cementera desde la década de 1930. Antes de esa época su

producción era a una escala mucho menor, ya que era más común el uso de la mampostería que el uso

del concreto.

Cuando se desarrollaron las primeras fábricas de cemento en el país, Cementos Samper fueron lospioneros al estar en capacidad de producir hasta 150 T por día. Posteriormente surgieron en distintas

partes del territorio nacional más industrias. En el siguiente esquema se puede visualizar como se

distribuyeron a lo largo del país para suplir las necesidades del sector de la construcción.


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El proceso de fabricación del cemento está estandarizado en el mundo.

1. Inicia con la explotación de la materia prima: Calizas presentes en la naturaleza que se extraen

de las canteras, donde algunas veces es necesario el uso de explosivos dependiendo de la dureza

del material.

2. Luego se procede a llevar la caliza hasta la planta trituradora para homogeneizar su tamaño

hasta obtener partículas de 1” aproximadamente.

3. Posteriormente se realiza la mezcla de la caliza triturada con la arcilla, en proporciones

determinadas por el tipo de cemento que se producirá. Se lleva nuevamente a proceso de

triturado para dejar el material en partículas de 0.05mm.

4. La homogenización: la mezcla que sale del molino se transporta hasta silos de gran tamaño

donde se homogeniza la mezcla a través de la inyección de aire. Este proceso es de gran

importancia ya que en la reacción química que sufrirá el cemento al ser mezclado con los demás

componentes del concreto se requiere que su composición sea homogénea.

5. Clinkerización: es el proceso en el cual se somete la mezcla a un tratamiento térmico en hornos

rotatorios donde la temperatura alcanza los 1.500°C. En este proceso la mezcla sufre varios

cambios según se muestra en la siguiente tabla:

Complemento: Para conocer un poco más de la historia de la industria cementera

en Colombia, les comparto el siguiente artículo de la revista Dinero:

http://www.dinero.com/edicion-impresa/especial-comercial/articulo/cementos-

samper-como-nueva-despues-100-anos/24788

http://www.dinero.com/edicion-impresa/especial-comercial/articulo/cementos-samper-como-nueva-despues-100-anos/24788http://www.dinero.com/edicion-impresa/especial-comercial/articulo/cementos-samper-como-nueva-despues-100-anos/24788http://www.dinero.com/edicion-impresa/especial-comercial/articulo/cementos-samper-como-nueva-despues-100-anos/24788http://www.dinero.com/edicion-impresa/especial-comercial/articulo/cementos-samper-como-nueva-despues-100-anos/24788http://www.dinero.com/edicion-impresa/especial-comercial/articulo/cementos-samper-como-nueva-despues-100-anos/24788


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Temperatura Proceso Reacción Observaciones

Hasta 100°C Evaporación de agua libre Endotérmica Este proceso ocurrecuando la mezcla se

realiza en presencia de

agua.Por encima de 500°CDeshidratación de los minerales

arcillosos Endotérmica

800°C Liberación de CO2 Exotérmica

Por encima de 900°C

Cristalización de los productos

minerales descompuestos.Exotérmica

Descomposición del carbonato Endotérmica

De 900°C a 1.200°CReacción del CaO con los

silicoaluminatosExotérmica

De 1.250°C a 1.280°C Se inicia la formación de líquidos Endotérmica

Por encima de 1.280°C

hasta 1.500°C

Formación de líquidos y de loscompuestos del cementos

(clinkerización)

Endotérmica

Tabla 1Tomado de Sánchez de Guzmán

Al finalizar el proceso de clinkerización, se obtienen masas que varían de tamaño entre 3 y

30mm y el producto se conoce como Clinker.

6. El Clinker sufre un proceso de enfriamiento rápido y súbito donde se busca que no se presente

óxido de magnesio en forma cristalina, que podría afectar las propiedades mecánicas del

concreto que se producirá con este cemento. El enfriamiento se realiza por medio de parrillas en

las que pasa aire frio.

7. La molienda final es el proceso en el que el Clinker de gran tamaño pasa por una serie de

cuerpos moledores en el que se pulveriza con una adición de yeso (2 a 5%) que servirá para

evitar el fraguado relámpago del cemento y para regular la velocidad de endurecimiento.

8. Este producto se conoce como CEMENTO PORTLAND.

9. Finalmente el cemento pasa al proceso de empaque y distribución. En Colombia está

reglamentado que los sacos de cemento deben pesar 50kg.

Atención! Al adicionar al proceso otros componentes, se crean variedades de cemento. Esto seráampliado en otro plan de lección de esta misma unidad.

Complemento: en el siguiente video podrán ver un documental hecho porDiscovery Channel de cómo es el proceso de fabricación del cemento:

https://youtu.be/CZs8-b3bqfA

https://youtu.be/CZs8-b3bqfAhttps://youtu.be/CZs8-b3bqfAhttps://youtu.be/CZs8-b3bqfA


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Composición química

Como se ha visto, las materias primas utilizadas en la fabricación del cemento portland consisten

principalmente de cal, sílice, alúmina y óxido de hierro. Estos compuestos interactúan en el horno

rotatorio de producción, para formar una serie de productos más complejos, hasta alcanzar un estado

de equilibrio químico, con la excepción de un pequeño resido de cal no combinada, que no ha tenidotiempo de combinar.1

El cemento portland está formado por silicatos, aluminatos y ferroaluminatos de calcio y tiene los

siguientes compuestos principales:

Silicato tricálcico:

o Composición de óxido: 3CaOSiO2

o Abreviatura: C3S

Silicato bicálcico:

o Composición de óxido: 2CaOSiO2

o Abreviatura: C2S

Aluminato tricálcico:

o Composición de óxido: 3CaOAl2O3

o Abreviatura: C3 A

Ferroaluminato tetracálcico:

o Composición de óxido: 4CaOFe2O3 Al2O3

o Abreviatura: C4 AF

Atención! Las abreviaturas las utilizamos para reconocer con mayor facilidad cada uno de estoscompuestos, y será importante reconocerlos ya que esta composición química estará asociada a las

propiedades físicas y mecánicas que se extenderán en este plan de lección.

La hidratación del cemento genera varias reacciones químicas las cuales dan paso a las propiedades

mecánicas. Sin embargo, los fenómenos que ocurren durante la hidratación son de gran complejidad y

no son necesarios para el estudio de este curso. Esta reacción se puede resumir de la siguiente manera:

La pasta de cemento: agua + cemento, es un sistema dinámico que varía dependiendo de la

composición del cemento y de las condiciones de temperatura y humedad en las cuales estamos

trabajando.

Al reaccionar los compuestos anhídridos del cemento con el agua se originan dos tipos de

compuestos: los cristalinos hidratados y un gel.

A cada partícula de cemento se adhiere agua que produce que pequeños cristales aparezcan en la

superficie de la partícula. Los cristales van creciendo y una sustancia gelatinosa los envuelve, en

1 Sánchez de Guzmán. Tecnología del concreto y del mortero. Página 35.

Para extender la explicación de la composición química del cemento, deberánleer del siguiente vínculo de la Facultad de Ingeniería de la Universidad del

Nordeste de Argentina: http://ing.unne.edu.ar/pub/quimica/cemento.pdf

http://ing.unne.edu.ar/pub/quimica/cemento.pdfhttp://ing.unne.edu.ar/pub/quimica/cemento.pdfhttp://ing.unne.edu.ar/pub/quimica/cemento.pdfhttp://ing.unne.edu.ar/pub/quimica/cemento.pdf


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la medida que se va equilibrando la cantidad de agua entre los cristales y el gel, este se torna

estable y aporta algunas de las propiedades mecánicas de la pasta endurecida.

2Tomado de campus.ort.edu.ar

En la siguiente tabla se muestra un resumen de la secuencia de las reacciones básicas de hidratación del

cemento portland y su influencia en las propiedades mecánicas.


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3Tomado de Sánchez de Guzmán

En el proceso de hidratación hay algo más que debemos tener en cuenta en nuestro ejercicio

profesional, el calor de hidratación.

El calor de hidratación es la cantidad de calor, en calorías por gramo de cemento deshidratado, después

de una hidratación completa a una temperatura dada. Es decir, al hidratar el cemento tenemos un

proceso exotérmico, lo cual aumenta la temperatura del concreto el fraguar y endurecer. Luego cuando

inicia el descenso térmico de la mezcla hay contracción en el material y esto conduce a graves

agrietamientos. Esto se presenta, sobretodo, en casos en los que tenemos concreto masivo como en la

fundida de la cimentación de un puente o de un gran muro de contención. Es muy importante mantener

el calor de hidratación en estos casos para evitar problemas futuros en la durabilidad de las estructuras.


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Un ejemplo en Colombia de fundidas de concreto masivo lo encontramos en la refinería de Cartagena:

4 Tomado de http://www.argos.co/colombia/obras/industriales

Propiedades físicas y mecánicas

Cómo ya se ha dicho, las reacciones y propiedades químicas complementan las propiedades físicas y

mecánicas del cemento portland, las cuales se enumeran a continuación:

Peso específico o densidad:

o Es la relación entre la masa de una cantidad dada y su volumen.

o El cemento portland de densidad normal cuando no tiene adiciones distintas al yeso,

varía en el rango de 3.10 a 3.15 g/cm3

o El peso específico no indica directamente la calidad del cemento, pero se puede

relacionar con otras propiedades. Por ejemplo, baja densidad y alta finura podrán

indicar que el cemento contiene adiciones.

o En Colombia está normatizado el ensayo con la NTC-221 el cual corresponde al método

de Le Chatelier. En este ensayo se mide el volumen de la masa conocida usando el

principio de Arquímedes al usar el desplazamiento de un líquido que no reacciona

químicamente con el cemento.

La ampliación de la refinería de Cartagena es uno de los proyectos de infraestructura industrial más grandes de los

últimos años en Colombia.

Las obras de ampliación, harán de esta refinería en una de las más modernas de su categoría en América

Latina, duplicando su capacidad actual, para llevarla de 80.000 barriles de crudo/día a 165.000 barriles/día.

Como proveedor de concreto en esta obra, Argos enfrentó uno de los mayores desafíos de su historia: colocar 3.300 m3

de concreto en 22.5 horas continuas de trabajo. ¿El resultado? El vaciado de concreto masivo más grande del que se

tenga noticia en Colombia, hecho en una sola jornada.

Este vaciado fue necesario para construir las cimentaciones del edificio de la unidad de coquización retardada de la nueva

refinería: una estructura de 24 m de ancho por 57 m de largo con un espesor de 2.40 m de altura.

http://www.argos.co/colombia/obras/industrialeshttp://www.argos.co/colombia/obras/industrialeshttp://www.argos.co/colombia/obras/industrialeshttp://www.argos.co/colombia/obras/industriales


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o En nuestro ejercicio profesional es importante esta característica ya que el diseño de

mezcla de concreto se realiza por peso de cada material para mezclar 1m3 de concreto.

Superficie específica o finura:

o Esta propiedad está dada en unidades de cm2/g.

o Es una característica muy importante, ya que como explicamos en la sección anterior, la

hidratación de las partículas de cemento inicia en su superficie. Es decir, la finura delmolido está ligada directamente a su capacidad hidráulica.

o Esta característica influye en otras propiedades como la velocidad de hidratación,

desarrollo de calor, retracción y aumento de resistencia con la edad. Cementos muy finos

endurecen más rápidamente y desarrollan rápido su resistencia.

o Sin embargo, tiene algunos inconvenientes al estar extremadamente fino pues estará

expuesto con mayor facilidad a la exposición de la atmósfera lo cual disminuirá su

durabilidad. Adicionalmente, libera mayor calor de hidratación que podría generar

agrietamientos.

o Por otra parte, en casos de partículas muy grandes estas se hidratan y endurecen

lentamente, lo cual puede ocasionar la pérdida de agua en la mezcla.

o Se mide por métodos directos o indirectos. En Colombia están normatizados los

primeros en la NTC-226 y NTC-294; los segundos en las normasIcontec-597 y NTC-33.

Los métodos indirectos corresponden al turbidímetro de Wagner y al permeabilímetro

de Blaine, respectivamente.

Consistencia normal:

o Hace referencia a la fluidez dada al mezclar cierta cantidad de agua y de cemento.

o El contenido de agua de una pasta normal se expresa como el porcentaje en peso del

cemento seco y está en un rango entre 23% y 33%, dependiendo de las características del

cemento.

o Es una característica complementaria a otros ensayos como la determinación del tiempo

de fraguado y la estabilidad del volumen para determinar la calidad del cemento.o El ensayo para Colombia está descrito en la NTC-110 y se mide por medio del aparato de

Vicat.

Fraguado del cemento:

o Esta propiedad está dada por el tiempo de fraguado inicial y final.

o El tiempo de fraguado inicial es el tiempo transcurrido entre la adición del agua hasta

que la pasta pierde su viscosidad y eleva la temperatura.

o El tiempo de fraguado final es el tiempo desde la adición del agua hasta que la pasta deja

de ser deformable con cargas relativamente pequeñas y ha llegado al máximo de la

temperatura.

o Estos tiempos son importantes por delimitan el tiempo disponible para mezclar,

transportar, colocar, vibrar y afinar el concreto en la obra.o En Colombia se tiene la norma NTC-118 mediante la aguja de Vicat o la NTC-109 con las

agujas de Gillmore. Siendo el primero, el más utilizado.

Falso fraguado:

o Corresponde a la rigidez prematura y anormal del cemento. Se presenta en los primeros

minutos del mezclado con agua y al mezclar la pasta sin adicionar más agua restablece su

plasticidad sin pérdida de resistencia.


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o Los ensayos de laboratorio para este fenómeno están descritos en la NTC-228 y 297.

Estabilidad de volumen:

o La estabilidad de volumen de una mezcla es muy importante ya que evitará que se

produzca una expansión perjudicial. Aunque la retracción del concreto es normal se debe

mantener dentro de unos límites controlados.

o En Colombia, se realiza el ensayo de las agujas de Le Chetellier (NTC-1514) para medir elcambio de diámetro de cilindros de pasta curados en condiciones controladas.

Resistencia mecánica:

o Es quizá la característica más obvia para el estudio de los ingenieros civiles.

o Se mide a partir de una mezcla de mortero y no de sólo pasta, por cuanto la aplicación de

esta propiedad está dada en la construcción con concreto. No se mide en probetas de

concreto propiamente dicho por la difícil estandarización de los agregados.

o En este ensayo existen variaciones en las normas y recomendaciones internacionales

para su desarrollo. Sin embargo, el ensayo a compresión de las probetas está descrita en

la NTC-220, para aplicación en Colombia.

III.

CONCLUSIÓN

La industria del cemento portland es indispensable para mantener la industria de la

construcción de un país. En Colombia se produce este material desde hace más de 100 años.

Identificar la composición química del cemento portland facilita la compresión de procesos de

durabilidad y propiedades mecánicas del material.

Conocer las propiedades físicas y mecánicas del cemento portland no da herramientas como

ingenieros civiles para desarrollar más hábilmente nuestra profesión. Adicionalmente, nos

brinda estándares de calidad y durabilidad para nuestras obras.

IV.

BIBLIOGRAFIA

Sánchez de Guzmán. (2001). Tecnología del concreto y del mortero. Bogotá: Bhandar editores.

blog.360gradosenconcreto.com Concretos Argos

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