Determinación de la Dureza del Agua y Composición del Cemento Portland

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Dureza del Agua

El término dureza se refiere a la suma de concentraciones de todos los cationes metálicos, excepto los alcalinos. Los que más contribuyen a la dureza son el Ca2+ y el Mg2+. Según el estado de dureza, un agua se clasifica en:

  • Agua blanda: menos de 50 mg/l de CaCO3
  • Moderadamente blanda: entre 50 y 100 mg/l de CaCO3
  • Ligeramente dura: entre 100 y 150 mg/l de CaCO3
  • Moderadamente dura: entre 150 y 200 mg/l de CaCO3
  • Dura: entre 200 y 300 mg/l de CaCO3
  • Muy dura: más de 300 mg/l de CaCO3

La reacción del CO2 con el agua determina el pH del agua atmosférica. El CO2 reacciona con el agua para formar ion bicarbonato. El pH del agua atmosférica es 5.67. Cuando el agua está en presencia de gases contaminantes como óxidos de azufre y nitrógeno, se solubilizan en el agua y se oxidan en presencia de especies oxidantes presentes en el medio acuoso atmosférico, bajando el pH, con valores de menos de tres, dando lugar a la lluvia ácida.

Cemento Portland

Introducción

Los aglomerantes son materiales que dan con agua una masa fácilmente moldeable y que se endurece tras un tiempo. Pertenecen las cales, yesos y cementos. El cemento Portland (CP) es el aglomerante hidráulico de más importancia desde hace unos 100 años. Debe su nombre a su color gris verdoso parecido a las rocas del acantilado de la localidad inglesa de Portland. Los conglomerantes hidráulicos son productos que amasados con agua fraguan y endurecen sumergidos en este líquido y son estables en contacto con él. Va aparejado con la preparación de un mortero u hormigón, productos en cuya composición el cemento forma el componente adhesivo y resistente.

  • Mortero: mezcla de cemento, arena y agua.
  • Hormigón: mezcla de cemento, arena, agua y grava.

Más del 95% de cementos que se fabrican ahora son cementos puros tipo Portland o cementos de adición con un porcentaje más o menos alto de cemento o clinker de Portland. El CP se obtiene por cocción a 1500 °C de mezclas de calizas con arcilla en proporción adecuada y finamente pulverizadas. El producto cocido es una especie de escoria (clinker) que después de frío se muele para dar el cemento.

Composición Química

Depende de la materia prima de su fabricación y de su dosificación, proceso de cocción y enfriamiento. Las materias primas, sobre todo calizas y arcillas o minerales que las contengan en su composición, dan lugar a óxidos de cal, sílice, aluminio, hierro y otros, entre los que se producen interacciones como consecuencia de las altas temperaturas del horno, dando compuestos complejos que tendrán una estructura más o menos cristalina o amorfa según la velocidad de enfriamiento del clinker. El 95% del clinker lo forman óxidos de cal, sílice, aluminio y hierro. El resto son óxidos que proceden de las impurezas y entre las que están los de magnesio, sodio, potasio, titanio, azufre... La composición química de los distintos CP se comprenden entre:

  • CaO: 60-67%
  • SiO2: 17-25%
  • Al2O3: 3-8%
  • Etc.

El SO3 de los cementos procede del yeso que tiene como finalidad regular el fraguado. Un exceso de SO3 da lugar a cementos expansivos y menos resistentes. La pérdida al fuego mide la diferencia de peso que tiene una muestra de cemento sometido a una temperatura entre 900 y 1000 °C. La pérdida de peso se debe a la humedad, agua de cristalización y al CO2. El clinker al estar molido es sensible a la humedad y al anhídrido carbónico del aire que hace que se meteorice con facilidad. La meteorización si es elevada es perjudicial, bajando la resistencia mecánica del cemento. La reglamentación limita el máximo. El residuo insoluble señala el porcentaje de cemento que tratado con un ácido según un método normalizado queda sin disolver en él. Son pequeñas porciones de materias primas, yeso y añadidos y también se limita el máximo porque puede indicar una posible adulteración del cemento.

El análisis químico solo no dice suficiente sobre las propiedades del cemento, estas están definidas por la naturaleza de los compuestos formados en la cocción a partir de los componentes precedentes. Los compuestos principales o activos del CP son:

  • Silicato tricálcico
  • Silicato bicálcico
  • Aluminato tricálcico
  • Ferrito aluminato tetracálcico

Los componentes principales están en el clinker en estado cristalino, aunque de un 2 a 12% están en fase amorfa. El CP debe cumplir con una serie de relaciones entre sus óxidos principales para que sea considerado como tal, quedan definido los siguientes módulos:

  • "Silícico": = SiO2 / (Al2O3 + FeO3). Debe oscilar entre 1.2 y 4, siendo un valor normal 2.5. Alto MS indica cemento rico en sílice o blanco, con alta temperatura de cocción.
  • "Hidráulico": = CaO / (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3). Debe estar entre 1.7 y 2.3, cementos de buena calidad, del orden de 2. Bajo 1.7 da cemento poco resistente, igual que más de 2.4, cementos de inestabilidad de volumen.
  • "De fundentes": = Al2O3 / Fe2O3. Debe oscilar entre 1 y 4 siendo un valor normal 2. Es decisivo para la composición de la fase líquida del clinker.

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