En esta primera entrega de nuestra serie de artículos encabezados con el hashtag #HablamosDe... vamos a analizar y repasar algunos de los aspectos fundamentales en la fabricación del cemento portland, el más utilizado a nivel mundial.
El consumo de cemento en España aumentó un 21,5% durante el pasado mes de marzo, hasta sumar 1,1 millones de toneladas, impulsado principalmente por el resurgir del sector inmobiliario. Por su parte, las recientes inversiones en América Latina destinadas a impulsar el sector de las obras públicas provocan reacciones en las empresas cementeras, que buscan aumentar su presencia en estos países.
Todo parece indicar, entonces, que el cemento volverá a ser protagonista en los próximos tiempos, con lo que vamos a repasar algunos de los conceptos clave para entender cómo es y cómo se comporta esta maravillosa materia prima.
Definición y materias primas:
Pese a ser un gran conocido, debemos comenzar por definir qué es el cemento. Se trata de esa sustancia pulvurulenta utilizada en construcción a modo de conglomerante que, en presencia de áridos e hidratación, tiene la capacidad de dar origen a la piedra artificial más conocida de todos los tiempos: el hormigón. Recibe el sobrenombre de Portland por la similitud existente entre su color, blanco marfil cercano al gris pizarra, y las rocas que se encuentran en la isla de Pórtland, en Reino Unido, donde esta mezcla fue inventada hacia el año 1824 por Joseph Aspdin.
Para completar su definición, veámos cuáles son sus materias primas:
Durante el proceso de fabricación, que podréis recordar en el video que sigue a este párrafo, se obtiene un producto intermedio denominado clínker de cemento portland. Tras calcinar la caliza y la arcilla a más de 1.300 ºC, este subproducto tiene una composición muy determinada que nos proporcionará las características del hormigón que se fabrique con dicho cemento.
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Dada su importancia, vamos ahora a repasar los componentes principales del clínker y cómo afectan a la resistencia del producto final.
- Silicato tricálcico: es el componente principal del clínker, confiriendo altas resistencias iniciales al cemento. El calor de hidratación que libera en su reacción con el agua es elevado (120 cal/g).
- Silicato bicálcico: otorga poca resistencias en los primeros instantes, pero posteriormente, las va desarrollando progresivamente hasta alcanzar niveles del silicato tricálcico. El calor generado en su hidratación es menor que el proporcionado por el C3S (60 cal/g).
- Aluminato tricálcico: por sí solo contribuye escásamente a las resistencias finales del cemento. Actúa como catalizador de la reacción de los silicatos. Su hidratación es rapidísima, desarrollando mucho calor de hidratación (207cal/g). Para retrasar su actividad suele emplearse yeso, que actúa como regulador del fraguado. Es un componente peligroso, ya que da lugar a hormigones más sensibles al ataque por sulfatos.
- Ferrito aluminato tetracálcico: apenas tiene contribución en la resistencia de los cementos. Su hidratación es rápida, aunque menor que la del aluminato produciendo, además, un buen desprendimiento de calor (100 cal/g). Es el responsable del color gris verdoso de algunos cementos. Si se baja su proporción, se da lugar a los cementos blancos. Actúa como fundente.
Para aquellos que debáis conocer la composición percentual de este clínker de cemento a partir de las materias primas, os serán muy útiles las fórmulas de Bogue:
Y recuerda:
“Lo que protege a las armaduras en el hormigón es la alcalinidad, por tanto, a mayor contenido de CaO, mayor protección frente a la corrosión. Por contra, tendrá peor resistencia química, ya que la cal reacciona químicamente con muchos compuestos, que deberán ser vigilados”
Hidratación del cemento portland:
Se puede considerar la hidratación del cemento como un proceso en el cual se produce una disolución con reacción de los componentes con el agua, seguida de una difusión y precipitación de los componentes hidratados. Este proceso se basa en las teorías cristaloide de Le Chatelier y en la coloide de Michaelis, incluyendo un mecanismo según el cual los productos hidratados son transportados a través de los poros desde las partículas en las que se ha producido la reacción hacia los espacios libres.
La velocidad de las reacciones químicas se incrementa con la temperatura. Cabe destacar que la hidratación del C2S está más condicionada a la temperatura que la del C3S.
Si la pasta recibiese una aportación externa de agua, la hidratación continuaría durante un determinado tiempo hasta llegar a un límite. Por el contrario, si no hubiese contacto de la pasta con el agua externa durante la hidratación, al producirse una evaporación del agua de amasado, la cantidad de ésta podría descender hasta límites en los que se interrumpieran la hidratación del cemento. La relación correcta de agua/cemento es de, aproximadamente, 0,3 en peso.
Fórmulas de hidratación
Silicato tricálcico: reacciona rápidamente con el agua produciéndose tobermorita (C3S2H3) y portlandita (Ca(OH)2), en forma simplificada CH, según la siguiente reacción:
Silicato bicálcico: Reacciona más lentamente según la siguiente fórmula:
Nótese que la hidratación del primer silicato produce 3 veces más portlandita que el segundo. La portlandita al fin del todo es cal, que es muy inestable químicamente.
Aluminato tricálcico: la reacción del C3A con el agua es muy rápida debido al gran poder de disolución del mismo, dando lugar a un endurecimiento rápido de la pasta, conocido con el nombre de “fraguado relámpago”.
Para evitar este fenómeno y hacer una mezcla trabajable se añade al clínker un retardador de fraguado que normalmente es yeso dihidratado (CaSO4 2H2O, escrito de forma simplificada CSH2). El yeso y el aluminato reaccionan para formar sulfoaluminato de calcio hidratado insoluble o “sal de Candlot”, según la reacción:
Pese a que el C3A es atacado por los sulfatos, produciendo sulfoaluminatos expansivos, es necesario porque facilita la formación de la fase líquida, reduciendo la temperatura del horno y contribuyendo a la mejora de las reacciones sobre la caliza y la arcilla.
La cantidad a adicionar de yeso al clínker ha de estar controlada, pues una falta de yeso da lugar a la existencia de C3S libre en el cemento hidratado, con el peligro de que sea atacado por los sulfatos.
Ferrito aluminato tetracálcico: reacciona con el agua dando aluminatos de calcio hidratados cristalizados y ferrito de calcio hidratado amorfo, así como hidróxido de hierro:
Esperamos que este repaso sirva para recordar las claves de la materia prima que conforma todo hormigón.
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