El cemento es el ingrediente principal de la pasta de cemento, el agente aglutinante en el hormigón de cemento portland (PCC). Es un cemento hidráulico que, cuando se combina con agua, se endurece en una masa sólida. Intercalado en una matriz agregada forma PCC. Como material, el cemento portland se ha utilizado durante más de 175 años y, desde una perspectiva empírica, se comprende bien su comportamiento. Químicamente, sin embargo, el cemento portland es una sustancia compleja cuyos mecanismos e interacciones aún no se han definido por completo. ASTM C 125 y la Asociación de Cemento Portland (PCA) proporcionan las siguientes definiciones precisas:

• Cemento hidráulico: Un material inorgánico o una mezcla de materiales inorgánicos que establece y desarrolla resistencia por reacción química con agua mediante la formación de hidratos y es capaz de hacerlo bajo el agua.
• Cemento portland: Cemento hidráulico compuesto principalmente de silicatos de calcio hidráulicos.

Background

Aunque el uso de cementos (tanto hidráulicos como no hidráulicos) se remonta a muchos miles de años (al menos a la época del antiguo Egipto), el la primera aparición de «cemento portland» se produjo en el siglo XIX. En 1824, Joseph Aspdin, un albañil de Leeds, patentó un cemento hidráulico que acuñó como cemento «Portland» (Mindess y Young, 1981). Nombró el cemento porque producía un hormigón que se parecía al color de la piedra caliza natural extraída en la Isla de Portland, una península en el Canal de la Mancha (ver Figura 1 y 2). Desde entonces, el nombre» cemento portland » se ha pegado y está escrito en minúsculas porque ahora se reconoce como un nombre comercial para un tipo de material y no una referencia específica a Portland, Inglaterra.

Hoy en día, el cemento portland es el material de construcción más utilizado en el mundo, con aproximadamente 1,56 mil millones de toneladas (1,72 mil millones de toneladas) producidas cada año. La producción mundial anual de concreto de cemento portland ronda los 3,8 millones de metros cúbicos (5 mil millones de yardas cúbicas) por año (Cement Association of Canada, 2002). En los Estados Unidos, los pavimentos rígidos son el mayor uso individual de cemento portland y concreto de cemento portland (ACPA, 2002).

Fabricación

Aunque hay varias variaciones de cemento portland fabricado comercialmente, cada uno de ellos comparte muchas de las mismas materias primas básicas y componentes químicos. Los principales componentes químicos del cemento portland son calcio, sílice, alúmina y hierro. El calcio se deriva de la piedra caliza, la marga o la tiza, mientras que la sílice, la alúmina y el hierro provienen de las arenas, las arcillas y las fuentes de mineral de hierro. Otras materias primas pueden incluir esquisto, cáscaras y subproductos industriales como la escala de molino (Ash Grove Cement Company, 2000).

El proceso básico de fabricación calienta estos materiales en un horno a aproximadamente 1400 a 1600°C (2600-3000°F), el rango de temperatura en el que los dos materiales interactúan químicamente para formar silicatos de calcio (Mindess y Young, 1981). Esta sustancia calentada, llamada «clinker», generalmente se presenta en forma de pequeños gránulos de color gris-negro de aproximadamente 12.5 mm (0,5 pulgadas) de diámetro. El clínker se enfría y se pulveriza en un polvo fino que pasa casi por completo a través de un tamiz de 0,075 mm (No.200) y se fortifica con una pequeña cantidad de yeso. El resultado es cemento portland. La Asociación de Cemento Portland (PCA) tiene una excelente ilustración interactiva de este proceso en su sitio web.

Propiedades químicas

Los cementos Portland se pueden caracterizar por su composición química, aunque rara vez son para aplicaciones de pavimento. Sin embargo, son las propiedades químicas de un cemento portland las que determinan sus propiedades físicas y cómo se cura. Por lo tanto, una comprensión básica de la química del cemento portland puede ayudar a entender cómo y por qué se comporta como lo hace. Esta sección describe brevemente la composición química básica de un cemento portland típico y cómo se hidrata.

Composición básica

La Tabla 1 y la Figura 3 muestran los principales componentes químicos del cemento portland.

Cuadro 1. Main Constituents in a Typical Portland Cement (Mindess and Young, 1981)

Hidratación

Cuando el cemento portland se mezcla con agua, sus componentes químicos experimentan una serie de reacciones químicas que hacen que se endurezca (o se fije). Todas estas reacciones químicas implican la adición de agua a los compuestos químicos básicos enumerados en la Tabla 1. Esta reacción química con agua se llama «hidratación». Cada una de estas reacciones ocurre en un momento y un ritmo diferentes. Juntos, los resultados de estas reacciones determinan cómo el cemento portland se endurece y gana fuerza.Silicato tricálcico (C3S). Hidrata y endurece rápidamente y es en gran parte responsable del conjunto inicial y la fuerza temprana. Los cementos Portland con porcentajes más altos de C3 exhibirán una mayor resistencia temprana.Silicato dicálcico (C2S). Hidrata y endurece lentamente y es en gran parte responsable de los aumentos de fuerza más allá de una semana.

La Figura 4 muestra las tasas de evolución del calor, lo que da una idea aproximada de los tiempos de hidratación y de cuándo se fija inicialmente un cemento portland típico.

Figura 2. Tasa de evolución del calor durante la hidratación de un cemento portland típico.El resultado de las dos hidraciones de silicato es la formación de un hidrato de silicato de calcio (a menudo escrito C-S-H debido a su estequiometría variable). La C-S-H representa aproximadamente 1/2 – 2/3 del volumen de la pasta hidratada (agua + cemento) y, por lo tanto, domina su comportamiento (Mindess y Young, 1981).

Tipos de cemento Portland

Conociendo las características básicas de los compuestos químicos constituyentes del cemento portland, es posible modificar sus propiedades ajustando las cantidades de cada compuesto. En los estados UNIDOS, AASHTO M 85 y ASTM C 150, Especificación estándar para cemento portland, reconocen ocho tipos básicos de concreto de cemento portland (Tabla 2). También hay muchos otros tipos de cementos mezclados y patentados que no se mencionan aquí.

Cuadro 2. ASTM Tipos de Cemento Portland

Propiedades físicas

Los cementos Portland se caracterizan comúnmente por sus propiedades físicas para fines de control de calidad. Sus propiedades físicas se pueden utilizar para clasificar y comparar cementos portland. El desafío en la caracterización de propiedades físicas es desarrollar pruebas físicas que puedan caracterizar satisfactoriamente los parámetros clave. Esta sección, tomada en gran parte de la PCA (1988), enumera las propiedades físicas del cemento portland de los Estados Unidos más comunes que se prueban. Los valores de especificación, cuando se dan, se toman de ASTM C 150, Especificación Estándar para cemento Portland.

Tenga en cuenta que estas propiedades , en general, se aplican a las pastas de cemento «limpias», es decir, solo incluyen cemento portland y agua. Las pastas de cemento limpias suelen ser difíciles de manipular y probar y, por lo tanto, introducen más variabilidad en los resultados. Los cementos también pueden funcionar de manera diferente cuando se usan en un «mortero» (cemento + agua + arena). Con el tiempo, se ha encontrado que las pruebas de mortero proporcionan una mejor indicación de la calidad del cemento y, por lo tanto, las pruebas en pastas de cemento limpias generalmente se usan solo con fines de investigación (Mindess y Young, 1981). Sin embargo, si la arena no se especifica cuidadosamente en una prueba de mortero, los resultados pueden no ser transferibles.

• Finura
• Solidez
• Tiempo de ajuste
• Fuerza
• Gravedad específica
• Calor de hidratación
• Pérdida en la ignición