Cemento Portland

El cemento es el ingrediente principal de la pasta de cemento, el aglutinante del hormigón de cemento Portland (PCC). Es un cemento hidráulico que, al combinarse con agua, endurece formando una masa sólida. Intercalado con una matriz de agregados, forma el PCC. Como material, el cemento Portland se ha utilizado durante más de 175 años y, desde una perspectiva empírica, su comportamiento es bien conocido. Sin embargo, químicamente, el cemento Portland es una sustancia compleja cuyos mecanismos e interacciones aún no se han definido por completo. La norma ASTM C 125 y la Asociación del Cemento Portland (PCA) proporcionan las siguientes definiciones precisas:

Cemento hidráulico: Material inorgánico o mezcla de materiales inorgánicos que fragua y desarrolla resistencia por reacción química con el 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.

Antecedente

Aunque el uso de cementos (tanto hidráulicos como no hidráulicos) se remonta a miles de años (al menos a la época del antiguo Egipto), la primera aparición del “cemento Portland” se produjo en el siglo XIX. En 1824, Joseph Aspdin, albañil de Leeds, patentó un cemento hidráulico al que denominó cemento “Portland” (Mindess and Young, 1981[1]). Le puso ese nombre porque producía un hormigón que se asemejaba al color de la piedra caliza natural extraída en la isla de Portland, una península del Canal de la Mancha (véanse las figuras 1 y 2). Desde entonces, el nombre “cemento Portland” se ha mantenido y se escribe en minúsculas porque ahora se reconoce como el nombre comercial de un tipo de material y no como una referencia específica a Portland, Inglaterra.

Hoy en día, el cemento Portland es el material de construcción más utilizado en el mundo, con una producción anual de aproximadamente 1.560 millones de toneladas (1.720 millones de toneladas). La producción mundial anual de hormigón de cemento Portland ronda los 3,8 millones de metros cúbicos (5.000 millones de yardas cúbicas) (Asociación Canadiense del Cemento, 2002[2]). En Estados Unidos, los pavimentos rígidos constituyen el principal uso del cemento Portland y del hormigón de cemento Portland (ACPA, 2002[3]).

Fabricación

Aunque existen diversas variantes del cemento Portland fabricado comercialmente, todas comparten muchas de las mismas materias primas y componentes químicos básicos. Los principales componentes químicos del cemento Portland son el calcio, la sílice, la alúmina y el 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 arenas, arcillas y minerales de hierro. Otras materias primas pueden incluir esquisto, conchas y subproductos industriales como la cascarilla de laminación (Ash Grove Cement Company, 2000[4]).

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 ambos materiales interactúan químicamente para formar silicatos de calcio (Mindess y Young, 1981[1]). Esta sustancia calentada, llamada “clinker”, suele presentarse en forma de pequeños gránulos de color gris negruzco de unos 12,5 mm (0,5 pulgadas) de diámetro. Posteriormente, el clínker se enfría y se pulveriza hasta obtener un polvo fino que pasa casi completamente por un tamiz de 0,075 mm (n.° 200) y se fortifica con una pequeña cantidad de yeso. El resultado es el cemento Portland. La Asociación del Cemento Portland (PCA) ofrece 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 se utilizan para pavimentos. Sin embargo, son las propiedades químicas del cemento Portland las que determinan sus propiedades físicas y su curado. Por lo tanto, un conocimiento básico de la química del cemento Portland puede ayudar a comprender 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.

Hidratación

Cuando el cemento Portland se mezcla con agua, sus componentes químicos experimentan una serie de reacciones que provocan su endurecimiento (o fraguado). Todas estas reacciones implican la adición de agua a los compuestos químicos básicos enumerados en la Tabla 1. Esta reacción química con el agua se denomina hidratación. Cada una de estas reacciones ocurre en un tiempo y a una velocidad diferentes. En conjunto, los resultados de estas reacciones determinan cómo el cemento Portland se endurece y adquiere resistencia.

Silicato tricálcico (C3S). Se hidrata y endurece rápidamente, y es en gran medida responsable del fraguado inicial y la resistencia inicial. Los cementos Portland con mayores porcentajes de C3S presentan una mayor resistencia inicial.
Silicato dicálcico (C₂S). Se hidrata y endurece lentamente y es en gran medida responsable del aumento de resistencia después de una semana.
Aluminato tricálcico (C3A). Se hidrata y endurece con mayor rapidez. Libera una gran cantidad de calor casi inmediatamente y contribuye en cierta medida a la resistencia inicial. Se añade yeso al cemento Portland para retardar la hidratación del C3A. Sin yeso, la hidratación del C3A provocaría el fraguado del cemento Portland casi inmediatamente después de añadir agua.
Aluminoferrita tetracálcica (C4AF). Se hidrata rápidamente, pero contribuye muy poco a la resistencia. Su uso permite temperaturas de horno más bajas en la fabricación de cemento Portland. La mayoría de los efectos de color del cemento Portland se deben al C4AF.

Tipos de cemento Portland

Conociendo las características básicas de los compuestos químicos que componen el cemento Portland, es posible modificar sus propiedades ajustando las cantidades de cada compuesto. En EE. UU., las normas AASHTO M 85 y ASTM C 150, Especificación Estándar para Cemento Portland, reconocen ocho tipos básicos de concreto de cemento Portland (Tabla 2). También existen muchos otros tipos de cementos aditivados y patentados que no se mencionan aquí.

Propiedades físicas

Los cementos Portland se caracterizan comúnmente por sus propiedades físicas para fines de control de calidad. Estas propiedades físicas permiten clasificar y comparar cementos Portland. El reto en la caracterización de las propiedades físicas reside en desarrollar ensayos físicos que permitan caracterizar satisfactoriamente los parámetros clave. Esta sección, extraída principalmente del PCA (1988[5]), enumera las propiedades físicas más comunes del cemento Portland estadounidense que se someten a ensayo. Los valores de especificación, cuando se proporcionan, se toman de la norma ASTM C 150, Especificación estándar para el cemento Portland.

Tenga en cuenta que estas propiedades, en general, se aplican a las pastas de cemento puro, es decir, que solo incluyen cemento Portland y agua. Las pastas de cemento puro suelen ser difíciles de manipular y analizar, por lo que introducen mayor variabilidad en los resultados. Los cementos también pueden tener un rendimiento diferente al usarse en un mortero (cemento + agua + arena). Con el tiempo, se ha comprobado que las pruebas de mortero proporcionan una mejor indicación de la calidad del cemento y, por lo tanto, las pruebas en pastas de cemento puro suelen utilizarse solo con fines de investigación (Mindess y Young, 1981[1]). Sin embargo, si la arena no se especifica cuidadosamente en una prueba de mortero, los resultados podrían no ser transferibles.