Materiales Unidad 3: Cementos, Presentación de la Universidad de Burgos

Índice de Contenidos

1. Introducción
2. Componentes de los cementos
3. Clínker portland
   1. Óxidos presentes
   2. Principales características de los componentes principales y secundarios
   3. Composición potencial del clínker en función de los componentes principales
   4. Principales parámetros químicos en el clínker de portland
4. Adiciones
5. Clínker de aluminato de calcio
6. Fabricación
7. Hidratación del cemento
   1. Hidratación de los componentes
   2. Fraguado y endurecimiento
8. Tipos de cementos

Introducción a los Cementos

Conglomerante hidráulico: aquél producto que, amasado con agua, fragua y endurece (tanto expuesto a la atmósfera como sumergido bajo el agua, ya que tras su hidratación sus componentes resultan estables bajo esas condiciones) Cemento: es el conglomerante hidráulico más importante. Su fabricación y uso está regulado por la "Instrucción para la recepción de cementos" (RC-16). R.D. 256/2016 de 10 de junio

RC-16: Instrucción para la Recepción de Cementos

RC-16 Instrucción para la recepción de cementos Con comentarios de los miembros de la Comisión Permanente del Cemento serie normativas GOBIERNO DE ESPAÑA MINISTERO DE FOMENTO

Artículo 1. Objeto y ambito de aplicación. Esta Instrucción tiene por objeto establecer las prescripciones técnicas generales que deben satisfacer los cementos, así como regular su recepción con el fin de que los productos de construcción en cuya composición se incluya cemento permitan que las obras de construcción en que se empleen satisfagan los requisitos esenciales exigibles. Su ámbito de aplicación se extiende a la recepción de cementos en las obras de construcción, en las centrales de fabricación de hormigón y en cualesquiera otras instalaciones, como en aquellas en las que se fabriquen productos de construcción en los que en su composición se emplee cemento.

Componentes de los Cementos

· K: Clinker portland

Tipos de Cemento y Designaciones

Tipos de cemento Denominaciones Designaciones

• S: Escoria de horno alto

I Cemento portland CEM I

• P: Puzolana natural = Cemento portland con adiciones CEM II
• V: Ceniza volante silicea Cemento portland con escorias de horno alto CEM III

IV Cemento puzolánico CEM IV

V Cemento compuesto CEM V

• D: Humo de sílice
• T: Esquisto calcinado
• L: Filler calizo con un contenido de carbono orgánico total ≤ 0,5% (en masa)
• LL: Filler calizo con un contenido de carbono orgánico total ≤ 0,2% (en masa)
• Reguladores de fraguado: Sulfato de calcio (yeso, hemihidrato o anhidrita)
• Aditivos: < 1% en masa del cemento (salvo pigmentos)
• Aditivos orgánicos: < 0,2% en masa del cemento, medida sobre el residuo seco
• Clínkeres de aluminato de calcio (CAC)
• Q: Puzolana natural calcinada

Clínker Portland

EI CEMENTO PORTLAND está formado por la molienda conjunta del clinker portland y de una cierta proporcion de sulfatos, que funcionan como reguladores del fraguado (en forma de yeso o anhidrita, habitualmente)

EI CLINKER PORTLAND es el producto de la cocción de ciertos minerales ("crudo") hasta alcanzar su fusión parcial a unos 1450 ℃, para después proceder a su molienda:

• Calizas
• Arcillas o lutitas

Materias Primas del Clínker Portland

Raw Material Limestone Chalk Marl Clay/Shale Sand Iron Oxide Bauxite

Provides: CaO CaO CaO 5iO2 SiO2 Fe2O3 Al2O3 SiO, SiO2 Al2O3 Al2O3 Al2O3 SiO2 Al2O3 Al,O3 SiO2 Fe2O3 K2O Fe2O3 K2O Na2O CaO MgO K2O Na2O Na2O

• Margas
• Mineral de hierro
• Arenas de sílice
• Bauxita, etc.

Óxidos Presentes en el Clínker

Nombre Composición Peso molecular Fórmula abreviada Cal CaO 56 C Sílice Si O2 60 S Aluminio Al 2O3 102 A Hierro Fe2O3 160 F Agua H2O 18 H Anhídrido sulfúrico SO3 80 S Magnesia MgO 40 M Sodio Na2O 62 N Potasio K2O 94 K

Óxidos presentes en el clinkerFuente: Portland Stone Firms (Dorset, Portland, UK)

Rangos de Proporción de Óxidos en Cemento Portland

Rangos aproximados de la proporción de óxidos en el cemento portland Oxido Símbolo Contenido (%) CaO C 60 - 67 SiO2 S 17 - 25 Al2O3 A 3 - 8 Fe2O3 F 0,5 - 6,0 MgO M 0,1 - 4,0 Na2O + K2O N+K 0,4 - 1,3 SO3 S 0,1 - 2,5 TiO2 - 0 - 0,5 Mn2O3 - 0 - 0,3

CaO ≥ 2 SiO, MgO<5% (contenidos en masa)

Características de Componentes Principales y Secundarios

Componentes principales Nombre Composición Peso molecular Fórmula abreviada Nombre del mineral Silicato tricálcico 3 CaO.SiO2 228 SC3 Alita Silicato bicálcico 2 CaO.SiO2 172 SC2 Belita Aluminato tricálcico 3 CaO.Al2O3 270 AC3 Ferrito aluminato tetracálcico 4 CaO.Al2O3. Fe2O3 486 FAC4 Celita

PRINCIPAL COMPORTAMIENTO AL HIDRATARSE Principal fuente de resistencias Desarrolla resistencias más lento que la alita Reacciona muy rápido (necesita SO3Ca para retrasar su actividad) Reacciona rápido pero se autorregula rápidamente Su principal cometido es generar el fundente que permite la combinación de todos los componentes en el horno

Componentes Secundarios del Cemento

Componentes secundarios Nombre Composición Cal libre CaO Pueden dañar el hormigón. Causan expansión (el MgO a más largo plazo) Magnesia MgO Álcalis Na2O + K2O Trióxido de azufre SO3

RESISTENCIA A COMPRESION N/mm2 80 SC3 SC2 60 40 20 AC3 FAC4 0 28 90 180 EDAD EN DIAS

36( - Resultan peligrosos para morteros u hormigones con áridos reactivos Al reaccionar con los álcalis volatilizados en el horno da lugar a sulfatos alcalinos, que mejoran las resistencias iniciales del cemento. Pero en exceso, producen expansiones (se suele limitar al 4-5% como máximo)

Silicato Tricálcico (SC3)

SILICATO TRICÁLCICO (SC3) Elevada resistencia inicial Fraguado lento y endurecimiento bastante rápido Elevado calor de hidratación (502 J/g) Se limita su proporción a un 35% en masa de cemento para obras de grandes masas de hormigón

Silicato Bicálcico (SC2)

SILICATO BICÁLCICO (SC2) Proporciona resistencia a largo plazo Fraguado lento y endurecimiento muy lento Bajo calor de hidratación (251 J/g) Los cementos con alto contenido de SC2 son más resistentes a los sulfatos que los de bajo contenido Si el enfriamiento es lento, parte del SC2 se puede transformar en y-SC2, que es hidráulicamente inactiva

₿ ß-SC2-> metaestable, activa hidráulicamente Y 670° -- Enfriamiento rápido AG 735° 1495º 7-SC2> inactiva hidráulicamente 21500 Enfriamiento lento Liquid 0 500 1000 1500 2000 2500 Temperature (°C)

Aluminato Tricálcico (AC3)

ALUMINATO TRICÁLCIO (AC3) Genera unas ciertas resistencias iniciales, pero tiene poca contribución a largo plazo Fraguado muy rápido y elevada retracción Elevado calor de hidratación (866 J/g) ¡AC3 da lugar a baja estabilidad frente a sulfatos Para limitar su velocidad de hidratación y retardar el fraguado se añade yeso al clinker

Ferrito Aluminato Tetracálcico (CFA)

FERRITO ALUMINATO TETRACÁLCICO (CFA) No proporciona resistencia apenas Gran velocidad de fraguado Calor de hidratación medio (418 J/g) Está muy relacionado con el color del cemento. En cementos blancos se deben utilizar otros fundentes

€ 1 CO2 Proportions by weight CaCO3 Raw meal Free lime Alite Belite Liquid Cr Clay minerals C12A7 C3A Liquid Fe2O3 Loss of H2O C2(A,F) CAAF > 0 300 500 700 900 1200 1300 1400 Temperature (℃) Lea's Chemistry of Cement and Concrete Clinker Low quartz High quartz

Composición Potencial del Clínker

MF=A/F < 0,64 CAF = 3.04 Fe2O3 C3A = 2.65 A1203 - 1.69 Fe2O3 C3S = 4.07 CaO | 7.60 SiO2 - 1.43 Fe203 - 6.72 A1203 C2S = 2.86 Sip2 - 0.75 C3S Bogue (1929) [tiende a infravalorar el contenido de C3S] CaO = CaOtotal - CaO total libre - 0,7 SO3 Cal combinada con el yeso C4AF = 3.04 Fe2O3 C3A = 2.65 A1203 - 1.69 Fe2O3 C3S = 4.07 CaO (7.60 SiO2 + 6.71 A1203 + 1.43 Fe2O3 + 2.85 SO3) ASTM C150 C2S = 2.86 Sip2 - 0.75 C3S CaO = CaO total - CaO libre

Parámetros Químicos del Clínker Portland

Módulo hidráulico (MH) MH < 1,7 -> Baja resistencia MH > 2,3 -> Inestabilidad de volumen Cementos de buena calidad: MH~ 2,0 MH = CaO SiO 2 + Al 2 O 3 + Fe 2 O 3

Módulo de Silicatos (MS)

Módulo de silicatos (MS) MS = SiO2 1,9 ≤ MS ≤ 3,2 (Habitualmente: MS~ 2,0) Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 ¡MS -> Aumenta el contenido de silicatos y, con ello, la capacidad de generar resistencia. Pero se reducen los fundentes, y será más complicado fabricar el cemento al disminuir la capacidad de combinación de componentes en el horno

Índice de Saturación en Cal (IS)

Índice de saturación en cal (IS) - IS = CaO-0,75SO3 2,8 SiO 2 + 1,2 Al 2 O 3 + 0,65 Fe 2 O 3 Al dosificar el crudo y fabricar el cemento, se busca que el contenido de cal no sea excesivo (lo que podría producir expansividades y fisuras) o escaso (lo que generaría bajas resistencias y un lento fraguado y endurecimiento) Para ello, IS se tiene que aproximar lo más posible a 1 (debe ser 0,7 ≤ IS ≤ 1,02)

Módulo de Fundentes (MF)

Módulo de fundentes (MF) MF = Al2O3 Fe 2 O 3 1,5 ≤ MF ≤ 2,5 (Habitualmente: MF~ 2,0) ¡MF -> La combinación de componentes durante la cocción es más difícil; para un mismo índice de saturación en cal (IS) se produce menos alita ĮMF -> El clinker y el cemento son más oscuros

Temperatura de Combinabilidad

Temperatura de combinabilidad para variaciones de MS, IS y MF Temperatura de combinabilidad (C) 1550 1500 1450 1400 1350 1300 T 0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 1.02 IS Temperatura de combinabilidad (℃) 1600 1550 1500 1450 1400 1350 1300 1250 1.55 2 2.5 3 MS Temperatura de combinabilidad (℃) 580 560 540 520 500 480 460 440 420 400 1 1 0 1 2 3 4 MF Adaptado de Lea's Chemistry of Cement and Concrete 600

Adiciones en Cementos

Puzolanas Naturales (P, Q)

PUZOLANAS NATURALES (P, Q) Materias sólidas de naturaleza silícea o sílico-aluminosa Son de origen volcánico (tobas, pómez, cenizas, escorias, etc.), sedimentario (gieze) o orgánico (Kieselgur), tierras de diatomeas, arcillas activas, etc. Pueden ser naturales (P) o haber sido activadas por un tratamiento térmico de calcinación (Q) Por sí solas no tienen propiedades hidráulicas, pero contienen sílice y alúmina, y finamente molidas se pueden combinar con cal en presencia de agua, dando lugar a compuestos hidráulicos capaces de endurecer

Cenizas Volantes (V, W)

CENIZAS VOLANTES (V, W) Residuos sólidos de tamaño muy fino recogidos por precipitación electrostática o captación mecánica del polvo en suspensión en los gases de combustión de centrales termoeléctricas alimentadas con carbones pulverizados Pueden ser silíceas (V) o calcáreas (W) Tienen superficies específicas Blaine medias de 500 m2/kg (varían entre 200 y 800 m2/kg) Son capaces de combinarse con la cal de los componentes activos del cemento portland para dar lugar a compuestos hidratados parecidos a los procedentes de la hidratación del cemento (las calcáreas pueden tener directamente propiedades hidráulicas)