Cemento, Cal y Yeso: Propiedades, Tipos y Usos en Construcción

Bosquejo Histórico sobre Cementos

Se abordará la evolución de los cementos, desde los naturales (como el Romano o Parkey) hasta los artificiales (como el Portland).

Proceso Industrial de Producción de Cemento Portland

1. Explotación de materias primas
2. Transporte de materia prima
3. Trituración
4. Prehomogeneización
5. Almacenamiento de materias primas
6. Molienda de materias primas
7. Homogeneización de la harina cruda
8. Calcinación

Composición de los Cementos

Se describen los elementos principales:

• Óxido de calcio (CaO), representado como C
• Óxido de aluminio (Al₂O₃), representado como A
• Óxido de silicio (SiO₂), representado como S
• Óxido de hierro (Fe₂O₃), representado como F

Principales Compuestos en los Cementos Portland

• Silicato tricálcico (3CaO·SiO₂ o C₃S): Es el componente más activo. Contribuye significativamente al desarrollo de las primeras resistencias y a la generación inicial de calor.

• Silicato dicálcico (2CaO·SiO₂ o C₂S): Componente pasivo que aporta resistencias y calor a largo plazo.

• Aluminato tricálcico (3CaO·Al₂O₃ o C₃A): A menudo es indeseable debido a su elevado calor de hidratación y rápido fraguado. Además, es susceptible al ataque de sulfatos.

• Ferroaluminato tetracálcico (4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃ o C₄AF): Componente inactivo que actúa como fundente. Reduce las temperaturas de cocción, facilita las reacciones químicas y ayuda a la hidratación del cemento.

El sulfato de calcio (CaSO₄), yeso, regula la reacción química entre el cemento y el agua, evita contracciones y controla el tiempo de fraguado.

Principales Propiedades Físicas de los Cementos

• Finura: Influye significativamente en su comportamiento. Una mayor finura produce un fraguado más rápido, una rápida adquisición de resistencia y una mayor generación de calor de hidratación.

• Tiempo de fraguado: El fraguado de la pasta de cemento es un proceso fisicoquímico que la transforma de un estado de plasticidad inicial a un estado de rigidez y firmeza. Se divide en dos etapas:

  • Fraguado inicial: Aproximadamente 45 minutos para la mayoría de los cementos mexicanos.
  • Fraguado final: Aproximadamente 600 minutos (10 horas) para la mayoría de los cementos mexicanos.

• Fraguado falso: Ocurre cuando, a los pocos minutos de entrar en contacto con el agua, la pasta de cemento exhibe una rigidez similar a la del fraguado final. Sin embargo, al remezclar sin añadir agua, la pasta recupera su consistencia original.

• Resistencia a la compresión: Se determina mediante la elaboración de probetas de mortero con un agregado estándar, comúnmente arena de Ottawa. Las probetas (cubos de 2 pulgadas) se almacenan bajo condiciones controladas. El ensayo consiste en determinar el esfuerzo máximo de compresión que la probeta puede soportar.

• Calor de hidratación: Se genera cuando el cemento reacciona químicamente con el agua. La cantidad de calor depende de la composición química y la finura del cemento.

Clasificación del Cemento Portland según la Norma Oficial Mexicana NOM-C-1-1980

• Cemento Portland Ordinario (CPO): Cemento común para construcciones que no requieren características especiales.

• Cemento Portland Puzolánico (CPP): Resulta de la molienda simultánea de clínker Portland y un material puzolánico. Ofrece moderado calor de hidratación, buena resistencia a los sulfatos y una resistencia mecánica comparable a la de un CPO.

• Cemento Portland de Escoria Granulada de Alto Horno (CPEG): Se fabrica mediante la molienda conjunta de clínker Portland y escoria de alto horno. Sus propiedades son similares a las de un CPP, pero alcanza mayor resistencia mecánica en medios húmedos o sumergidos.

• Cemento Portland Compuesto (CPC): Resultado de la molienda conjunta de clínker Portland y una mezcla de materiales puzolánicos, escoria granulada de alto horno y caliza. Presenta buena resistencia al ataque de sulfatos, moderado desarrollo de calor durante su hidratación y una resistencia mecánica superior a la de un CPO.

• Cemento con Escoria Granulada de Alto Horno (CEG): Conglomerante hidráulico resultante de la molienda conjunta de clínker Portland y escoria granulada de alto horno. Se considera un cemento de albañilería. Se usa para el junteo de elementos de mampostería, aplanados, enjarres y resanes. No debe emplearse en elementos estructurales debido a su baja resistencia mecánica.

• Cemento Portland de Humo de Sílice (CPS): Se obtiene de moler simultáneamente clínker Portland y humo de sílice (microsílice), un subproducto de plantas que producen electrodos para soldadura. Se utiliza cuando se desean superficies de concreto más duras.

Características Especiales en los Cementos

• Cemento Resistente a Sulfatos (RS): Presenta muy buena resistencia al ataque de sulfatos externos. Se emplea en obras expuestas a sustancias agresivas, como obras marítimas, portuarias, conducción de aguas negras o cimentaciones en terrenos con sales agresivas.

• Cemento de Bajo Calor de Hidratación (BCH): Desarrolla muy bajo calor durante su hidratación. Se utiliza en obras de “concreto masivo” para restringir la elevación de la temperatura y mantener el concreto fluido por más tiempo, evitando juntas frías. Su resistencia se desarrolla lentamente.

• Cemento de Baja Reacción Álcali-Agregados (BRA): Restringe la reacción química entre los álcalis del cemento y los agregados químicamente reactivos (como el ópalo y la calcedonia). Esta reacción puede causar desintegración y exfoliaciones en el concreto, afectando su durabilidad.

• Cemento Portland Blanco (B): Su color blanco se logra al procesar arcillas y calizas libres de óxido de hierro. Se utiliza en la elaboración de cementos de color, estucos, cornisas, etc.

• Cemento Portland de Alta Resistencia Inicial (R): Adquiere una parte significativa de su resistencia potencial en poco tiempo. Se emplea en obras que requieren una rápida resistencia del concreto para fines de descimbrado y utilización rápida de estructuras.

Clases Resistentes de los Cementos Mexicanos

Las clases resistentes son 20, 30 y 40, que indican la resistencia mínima a obtener a los 28 días de edad en N/mm². Las clases 30 y 40 tienen las variantes 30R y 40R, que a los 3 días de edad alcanzan 20 N/mm² y 30 N/mm² respectivamente, permitiendo el descimbrado de elementos estructurales al tercer día.

Cales

La cal viva (óxido de calcio, CaO) se obtiene al someter roca caliza pura a temperaturas entre 900 y 1000 °C. Al añadir agua a la cal viva, se produce hidróxido de calcio (Ca(OH)₂), conocido como cal apagada.

Clases de Cales

• Cal Grasa: Se obtiene de caliza con aproximadamente 45% de óxido de calcio, menos de 5% de arcilla y menos de 3% de carbonato de magnesio. Produce una pasta fina de buena plasticidad que se conserva blanda en sitios húmedos y resguardada del aire.

• Cal Magra: Se obtiene de la calcinación de roca caliza con 50% a 70% de óxido de calcio. Se apaga más lentamente que la cal grasa, desprende menos calor y su pasta tiene menos plasticidad. También se le llama cal árida y se usa en la industria azucarera.

• Cal Hidráulica: Se obtiene de la calcinación de roca caliza con 10% a 20% de arcilla. Enlaza fuertemente con el agregado fino, adquiriendo mayor resistencia mecánica y menor tiempo de fraguado, así como menor contracción que las cales aéreas.

• Cal de Magnesio: Se obtiene de la calcinación de caliza con 10% a 25% de óxido de magnesio. Cuando el contenido de óxido de magnesio supera el 25%, se le llama cal dolomítica o cal de alta magnesia.

Yeso

El yeso es un material de construcción resultante de la deshidratación parcial o total del aljez (CaSO₄·2H₂O), compuesto casi exclusivamente de sulfato de calcio con dos moléculas de agua.

Clasificación del Yeso Según su Estructura y Cristalización

• Yeso Fibroso: Para mezclas.
• Yeso Espejuelo: Moldeo en general.
• Yeso en Flecha: Moldeo de objetos finos.
• Yeso Sacarino: Decoración y estructural.
• Yeso Calizo: De construcción.

Clasificación de los Estados del Yeso de Construcción Según la Temperatura de Cocción

• Temperatura ordinaria: Piedra de yeso o sulfato de calcio bihidratado.
• 100 °C: Formación de sulfato de calcio semihidratado (2CaSO₄·H₂O).
• 100-200 °C: Yeso comercial de construcción y para estuco.
• 200-300 °C: Yeso de fraguado lentísimo y gran resistencia.
• 300-400 °C: Yeso de fraguado rápido pero resistencia casi nula.
• 500-700 °C: Yeso de fraguado lentísimo o nulo (yeso muerto).
• 750-800 °C: Empieza a formarse el yeso hidráulico.
• 800-1000 °C: Yeso hidráulico normal.
• 1000-1400 °C: Yeso hidráulico de fraguado más rápido.

Tipos de Yeso de Construcción Según la Pureza de la Roca

• Yeso Negro: Se obtiene de aljez impuro (50% a 70% de sulfato de calcio), calcinado y molido burdamente. Se emplea en la primera capa de regularización de muros.

• Yeso Blanco: Contiene entre 80% y 90% de sulfato de calcio, finamente molido. Se emplea en el acabado de muros, aplicándolo con llana en una capa fina.

• Yeso Escayola: Yeso blanco de mejor calidad, con al menos 90% de sulfato cálcico, finísimamente molido. Se emplea en elementos vaciados, molduras, prefabricados y trabajos de decoración.

Fabricación del Yeso

El proceso industrial para la fabricación de yeso incluye:

1. Extracción
2. Machaqueo o trituración primaria
3. Cocción
4. Molienda
5. Almacenamiento
6. Bodega
7. Mercado

Asfalto

Material cementante sólido o semisólido, formado por materiales bituminosos naturales que quedan como residuos de la destilación del petróleo.

Clasificación de los Asfaltos

• Cemento Asfáltico (AC): Mezcla de hidrocarburos de diferentes pesos moleculares. Se subclasifica según su penetración (ej. AC 70-90, AC 60-80, AC 80-100). Se utiliza en pavimentos de concreto asfáltico, mantenimiento y reparación de pavimentos.

• Asfalto Líquido: Se produce diluyendo cemento asfáltico en un solvente a base de hidrocarburo. Se clasifican según la rapidez de evaporación del solvente (curado):

  • SC: Asfaltos rebajados de curado lento.
  • MC: Asfaltos rebajados de curado medio.
  • RC: Asfaltos rebajados de curado rápido.

  Se emplean para mantenimiento de pavimentos, riego de liga, riego de impregnación, tratamientos superficiales, recarpeteo, sellado de grietas e impermeabilización.

• Emulsiones Asfálticas: Compuestas de cemento asfáltico y una emulsión (generalmente agua jabonosa). Se utilizan en tratamientos superficiales, riegos de adherencia, estabilización de suelos y lechadas asfálticas. Se clasifican según la velocidad de rompimiento de la emulsión:

  • RR: Emulsiones de rompimiento rápido.
  • RM: Emulsiones de rompimiento medio.
  • RL: Emulsiones de rompimiento lento.

Principales Aplicaciones del Asfalto

1. Impermeabilización de azoteas
2. Impermeabilización de cimentaciones
3. Construcción de pavimentos flexibles

Productos Asfálticos para Impermeabilización

• De aplicación en frío (base agua, base solvente)
• De aplicación en caliente

Construcción de Pavimentos

Conjunto de capas de material seleccionado que reciben las cargas del tránsito y las transmiten a los estratos inferiores, proporcionando una superficie de rodamiento.

Tipos de Pavimento

• Rígido: Construido a base de concreto hidráulico.
• Flexible: Construido a base de concreto asfáltico.
• Articulado: Construido a base de adoquín.

Agregados

Materiales provenientes de rocas minerales u otros materiales, que mezclados con agua y cemento forman concreto. Representan del 60% al 80% del volumen total del concreto.

Clasificación de los Agregados

Por su Origen

• Naturales: Rocas ígneas (basaltos y granitos), rocas sedimentarias (caliza y arenisca), rocas metamórficas (esquistos y mármol).

Por su Peso (Densidad)

• Agregados Ligeros: Densidad entre 1.2 y 2.2 g/cm³.
• Agregados Normales: Densidad entre 2.3 y 2.9 g/cm³.
• Agregados Pesados: Densidad entre 3.0 y 5.0 g/cm³.

Por su Tamaño

• Boleo (piedra bola): Retenido por la malla 6 pulgadas.
• Grava: Pasa por la malla de 6 pulgadas, retenida en la malla #4.
• Arena: Pasa por la malla #4, retenida por la malla #100.

Por su Forma y Origen

• Canto Rodado (Boleo): Se encuentra en cauces de ríos. Su forma redondeada es ideal para concretos con buena resistencia, trabajabilidad y economía.

• Triturado (Arista Viva): Proveniente de canteras. Se utiliza cuando no es posible o económico emplear canto rodado. Genera altos consumos de cemento y concretos de poca trabajabilidad.

• Canto Rodado y Triturado (Mixto): Proviene de cauces de ríos y parte es triturado mecánicamente. Se considera un tipo aparte por su forma combinada.

Principales Propiedades Físicas de los Agregados

• Composición Granulométrica (Granulometría): Distribución de los tamaños de las partículas.

  Con un análisis granulométrico se obtiene:

  1. Proporción de arena y grava.

  2. Granulometría de la arena: Se determina separando en fracciones con un juego de mallas estándar. Las arenas con módulo de finura entre 2.3 y 3.2 (media fina, media y medio gruesa) son aceptables para concreto. Las arenas finas y gruesas pueden usarse con recomendaciones de un laboratorio certificado. Las arenas muy finas y muy gruesas son objetables.

  3. Granulometría de la grava: Se determina separándola en fracciones con mallas estándar.

  4. Tamaño máximo de las partículas: Corresponde a la abertura de la malla en la que se presenta el primer retenido en la grava.

• Densidad: Se refiere al peso específico aparente en condición saturada y superficialmente seca.

• Absorción: Agua que un agregado absorbe por inmersión durante 24 horas, llevándolo a la condición de saturado y superficialmente seco.

• Humedad: Cantidad de agua que un agregado posee en un momento determinado.

• Pesos Volumétricos: Relación entre el peso de un material y el volumen ocupado, expresado en kg/m³. Hay dos valores: peso volumétrico suelto y peso volumétrico varillado. Se utiliza para convertir el peso del material a volumen y viceversa.

• Sustancias Perjudiciales: Sustancias presentes en los agregados que pueden afectar las propiedades del concreto fresco o su comportamiento posterior.

  Las más comunes son:

  • Materiales muy finos: Arcilla, limo, polvo de trituración. Pueden interferir con la hidratación del cemento, la adherencia entre el agregado y la pasta de cemento, aumentar la contracción y el agrietamiento, y disminuir la resistencia.

  • Impurezas Orgánicas: Pueden interferir con la hidratación normal del cemento y disminuir la resistencia del concreto endurecido.

  • Partículas Suaves y Ligeras: Limitan la resistencia y durabilidad del concreto endurecido.