Hormigón y Cemento Hidráulico: Composición, Fabricación y Aplicaciones en Ingeniería

¿Qué es el Hormigón de Cemento?

Se llama hormigón de cemento a un **material compuesto** y de origen artificial, conformado principalmente por un **aglomerante artificial** y **partículas de cierta resistencia estructural**.

Cuando está recién mezclado, debe tener una **condición plástica** que facilite las operaciones indispensables para su colocación en moldes. Con el tiempo, debe adquirir **cohesión y resistencia** que lo hagan apto para su empleo en obras de ingeniería.

La idea común es la de un hormigón de piedra y cemento, una mezcla que resulta en un material con el cual se pretende reconstruir la roca original y, a veces, mejorar sus propiedades.

¿Por qué una Tecnología del Hormigón?

El hormigón puede ser preparado fácilmente por cualquier persona no especializada. Sin embargo, esta persona a menudo desconoce que ha dado origen a un material que sufre numerosas **transformaciones** y reaccionará según las **condiciones de elaboración**, la **calidad de sus materias primas** y los **cuidados posteriores**. El complejo funcionamiento de este material obliga a diseñarlo con mayor atención.

La elección de **materias primas**, **equipos**, la **organización de la faena** y la **disposición de controles**, entre otros, son variables que deben ser consideradas.

El hormigón que se prepara en obra debe cumplir con las **propiedades especificadas** de acuerdo con la finalidad a la que se le destinará. Por ello, es necesario un perfecto conocimiento de los **materiales**, su **dosificación**, **técnicas de elaboración**, **colocación**, **cuidado**, **mantención** y **funcionamiento**.

Definición de Hormigón

Concepto General:

Todo producto o masa fabricado con un **medio cementante**.

Concepto Particular:

Material de construcción compuesto por mezcla homogénea de **materiales pétreos inertes** y **cemento hidráulico**.

Presencia de los Componentes:

• **Aglomerantes**: 15-20 %
• **Áridos granulares**: 60-80 %
• **Agua**: 10-15 %
• **Aire atrapado**: 1-2 %
• **Aditivos y adiciones**: proporción variable.

Cemento Hidráulico

Es un **material aglomerante** que, en estado pastoso y con consistencia adecuada, puede moldearse y adherirse fácilmente a otros materiales, uniéndolos entre sí y protegiéndolos. Además, al endurecerse, alcanza **resistencias mecánicas considerables**.

Es un producto de **origen mineral**, fabricado con alta tecnología, que se usa para unir firmemente diversos tipos de materiales de construcción, permitiendo crear edificaciones **resistentes y durables**.

Se presenta como un **polvo fino gris** que, mezclado con agua, forma una pasta que endurece tanto bajo agua como al aire. Está considerado como un **aglomerante hidráulico** por necesitar agua para su fraguado.

Se obtiene mediante un proceso de fabricación que utiliza dos **materias primas principales**: **caliza** y un componente rico en **sílice**, constituido normalmente por **arcilla** o, eventualmente, una **escoria de alto horno**.

Estos componentes se mezclan en proporciones adecuadas y se someten a un proceso de **fusión en un horno rotatorio**, del cual se obtiene un material granular denominado **clínquer**.

El **clínquer** se muele en **molinos de bolas** hasta convertirlo en polvo fino, adicionándose en esta etapa una porción de **yeso** (5% de su peso), destinado a regular el proceso de **fraguado** de la pasta de cemento, la que de otra manera endurecería en forma casi instantánea. Este cemento obtenido se denomina **cemento Portland**.

Durante la molienda, se pueden adicionar otros productos naturales o artificiales, constituyendo así los **Cementos Portland con adiciones** o **Especiales**.

Entre las adiciones más utilizadas están las **puzolanas** y las **escorias de alto horno**.

Fabricación del Cemento

El proceso básico de fabricación del cemento es relativamente simple. Existen dos métodos para su elaboración: el **método vía húmeda** y el **método vía seca**.

En la fabricación de cemento se pueden diferenciar cuatro procesos principales:

1. **Extracción de materias primas**
2. **Fabricación del clínquer**
3. **Molienda del cemento**
4. **Envasado**

1. Extracción de Materias Primas

• **Caliza**
• **Arcillas**
• **Adiciones**: Puzolana o escoria de alto horno

2. Fabricación de Clínquer

Tratamiento de las Materias Primas

• **Harneado**.
• **Chancado**.
• **Homogeneización**.
• **Secado**.
• **Almacenamiento**.

Dosificación de Materias Primas

%Calizas + %Arcillas + %Adiciones ———-> Tº ———–>Clínquer

Molienda de Crudo

Reducción del tamaño de las partículas a un estado **pulverulento**, para que puedan reaccionar químicamente durante la **clinquerización**.

Homogeneización

Mezclar los distintos materiales, de tal forma que en cualquier punto de la mezcla que se tome, los componentes deben estar presentes en las **proporciones previstas**.

Clinquerización

Los materiales homogeneizados se calientan en el horno hasta llegar a la **temperatura de fusión** (1400 a 1500°C). Para calcinar los materiales se pueden utilizar **hornos verticales** u **hornos rotatorios**, siendo estos últimos los más usados.

3. Molienda de Cemento

La molienda consiste en reducir el **clínquer**, el **yeso** y otros componentes a un **polvo fino**. Se realiza en **molinos de bolas**, que consisten en tubos cilíndricos divididos en dos o tres cámaras que giran a gran velocidad con diversos tamaños de bolas en su interior.

El producto final es almacenado en **silos de hormigón**, los cuales disponen de equipos adecuados para mantener el cemento en agitación y así evitar la **separación por decantación** de los granos gruesos o la **aglomeración**.

4. Envasado

El cemento se puede despachar en **bolsas de papel** o **a granel**.

Las bolsas de papel son de **42.5 kg** y deben cumplir con ciertos requisitos de **resistencia** e **impermeabilidad**.

El transporte a granel se realiza, por lo general, en **depósitos metálicos y herméticos**, en cuyo caso la descarga se efectúa con **inyección de aire**.

Fraguado y Endurecimiento de la Pasta de Cemento

El cemento, al ser mezclado con agua, forma una pasta que tiene la propiedad de **rigidizarse progresivamente** hasta constituir un sólido de creciente **dureza y resistencia**.

Estas características son causadas por un **proceso fisicoquímico** derivado de la **reacción química del agua con el clínquer**, que en su primera etapa incluye la disolución en agua de los **compuestos anhidros del cemento**, formando **compuestos hidratados**.

El endurecimiento de la pasta de cemento muestra particularidades de interés para el desarrollo de obras de ingeniería:

• La **reacción química** producida es **exotérmica**, con desprendimiento de calor, especialmente en los primeros días.
• Durante su desarrollo, se producen **variaciones de volumen** de acuerdo con la humedad del ambiente.

Al principio, la consistencia de la mezcla es fluida, pero con el tiempo la pasta se va rigidizando. A este proceso se le llama **fraguado del cemento**.

• **Fraguado inicial**: se produce aproximadamente a las 3 o 4 horas.
• **Fraguado final**: se produce aproximadamente a las 10 a 12 horas, momento en el que la pasta de cemento se ha endurecido totalmente.

El fraguado inicial y final se verifican mediante **pruebas de penetración** con el **aparato de Vicat**.

Tiempo de Fraguado

Es el tiempo que transcurre entre el instante en que el cemento se mezcla con agua para formar una pasta y el momento en que esta pierde su **plasticidad**.

Se determina con el **aparato de Vicat**. La determinación consiste en hacer penetrar una aguja de **1 mm² de superficie** con un peso de **300 gramos** en la pasta de consistencia normal, colocada en un molde determinado.

Cuando la aguja se detiene a **4 mm del fondo**, se considera el **tiempo de principio de fraguado**. Cuando la aguja deja solo una impresión, se considera el **fin de fraguado** (según **NCh 152**).

Consistencia Normal

Es el resultado de mezclar una cantidad de cemento con una cantidad de agua (expresada como porcentaje del peso del cemento) que confiere a la pasta una cierta **plasticidad**, la cual se determina con la **sonda de Tetmayer**.

Se considera que la pasta tiene una **consistencia normal** cuando la sonda, de **1 cm de diámetro** y **300 g de peso**, se detiene a **6 mm del fondo** (según **NCh 151**).

Resistencias Mecánicas

Los cementos deben ser capaces de lograr **resistencias iguales o superiores** a las determinadas por las normas, en probetas preparadas con un mortero cuyos componentes, fabricación, conservación y ensayos están normalizados (según **NCh 158**).

Finura del Cemento

El tamaño de los granos del cemento está comprendido entre **2 y 150 micrones**.

Los granos menores de **3 micrones** se hidratan casi instantáneamente al entrar en contacto con el agua.

Los granos superiores a **60 micrones** son prácticamente inertes, ya que su hidratación es extremadamente lenta.

1 micrón = 1 metro / 1.000.000

La **velocidad de hidratación** es directamente proporcional a la **finura del cemento**.

A mayor finura, mayor velocidad de hidratación.

Cementos en Chile

La **NCh 148** clasifica los cementos nacionales según su **composición y resistencia (grado)**, como se indica en las tablas siguientes:

Clasificación de los Cementos Nacionales

Propiedades y Grados de Cemento (NCh 148)

¿Qué es la Puzolana?

• Son sustancias que, en sí mismas, no tienen propiedades aglomerantes, pero que reaccionan con la **cal** a temperatura ambiente para formar **compuestos estables insolubles** con propiedades aglomerantes.
• La puzolana reacciona con la **cal del cemento**, la cual es liberada en las reacciones de hidratación.

Propiedades de la Puzolana

• Buenas propiedades de **resistencia química** e **impermeabilidad**.
• Bajo **calor de hidratación**.

¿Qué son las Escorias de Alto Horno?

• La escoria es un **subproducto de la fabricación del hierro** en el alto horno. Es una combinación de los componentes arcillosos del mineral de hierro con la caliza que se emplea como fundente.
• La **escoria granulada**, sin embargo, no tiene propiedades aglomerantes o, si las tiene, son muy débiles. Necesita un **activador** (cal o cemento).

Propiedades de las Escorias de Alto Horno

• Las propiedades de los **cementos siderúrgicos** son similares, en general, a las de los cementos puzolánicos, aunque varían en intensidad.
• En general, la escoria proporciona más resistencia que la puzolana.
• Las **resistencias iniciales** son menores que en otros cementos, aunque a mayor plazo igualan o superan al Portland.
• Tiene alta **estabilidad volumétrica**.
• Su **tiempo de fraguado** es normal.

Clasificación por Grado de los Cementos Nacionales (según NCh 148)

Cuidados del Cemento en Obra

Almacenamiento y Conservación

1. Las bodegas deben ser **ventiladas** para impedir la acumulación de humedad. Los pisos pueden ser **radieres de hormigón**, **embaldosados** o **entablados**. En este último caso, el piso debe quedar al menos a **10 cm del suelo**.
2. No se deben apilar más de **12 sacos** para evitar la compactación del cemento, y deben estar separados unos **50 cm de las paredes** y entre sí, para facilitar su manejo y ventilación.
3. El cemento se debe usar por **estricto orden de llegada** a la obra, para evitar que algunas partidas permanezcan mucho tiempo en ella.

Transporte a Hormigonera

• Levante los sacos poniendo las manos por debajo y soportando ambos extremos.
• Transporte los sacos apoyándolos de plano sobre los hombros o sobre el medio de transporte usado, sin dejar extremos colgando.
• No deje caer los sacos sobre sus bordes o extremos y verifique que la superficie de apoyo esté libre de objetos que puedan romper el saco.