Hidratación del Cemento: Reacciones, Fraguado y Control de Calidad en Hormigón

Hidratación de los Componentes Principales del Cemento

La hidratación del cemento es un proceso químico fundamental que determina las propiedades y el rendimiento del hormigón. A continuación, se detallan las reacciones de los principales componentes:

• C3S (Alita): Reacciona rápidamente con el agua, liberando portlandita (CH) y gel C-S-H. Aporta la resistencia inicial y un pH alto que protege las armaduras del hormigón.
• C2S (Belita): Reacciona más lentamente que el C3S, formando también C-S-H y CH. Contribuye a la resistencia a largo plazo y genera menos calor de hidratación.
• C3A (Aluminato Tricálcico): Reacciona casi instantáneamente con el agua, provocando un fraguado relámpago. Para evitarlo, se añade yeso, que modera la reacción. Este yeso forma ettringita (que aparece primero, con forma de agujas); un exceso puede causar daños por expansión. También forma monosulfoaluminato (que aparece después de agotarse el yeso).
• C4AF (Celita): Reacciona de forma más lenta, formando productos hidratados sin resistencia significativa. Interviene más en el color y la facilidad de cocción que en la resistencia final.
• Óxidos libres (CaO y MgO): Al hidratarse, provocan expansión y problemas de durabilidad. Su presencia debe evitarse, ya que generan productos con un gran aumento de volumen.

Principio y Fin de Fraguado del Cemento

El fraguado es el proceso de endurecimiento de la pasta de cemento. Se puede entender a través de la liberación de calor o mediante pruebas de penetración.

Fases del Fraguado según la Gráfica de Calor

1. Fase I: Hidratación rápida del aluminato tricálcico (C3A), liberando una cantidad significativa de calor.
2. Fase II: Periodo de inactividad (1-3 horas). Durante esta fase, la pasta es trabajable y solo se forma una pequeña cantidad de ettringita.
3. Fase III: Comienza el fraguado real con el inicio de la hidratación del C3S. Se forman geles C-S-H y la masa se vuelve menos trabajable.
4. Fase IV: El fraguado continúa hasta que los geles forman una red continua y consolidada.
5. Fase V: Fin del fraguado, que ocurre cuando se agota el agua o el cemento sin reaccionar.

Determinación del Fraguado con la Aguja de Vicat

La aguja de Vicat es un aparato utilizado para medir la rigidez de la pasta de cemento fresca mediante la penetración de una aguja metálica:

• Principio de fraguado: La aguja penetra 6 ± 3 mm desde la base del molde.
• Fin del fraguado: La aguja ya no deja huella (solo 0,5 mm de penetración).

Este ensayo se realiza en una pasta con una cantidad de agua conocida y a temperatura controlada para asegurar resultados consistentes.

Factores que Afectan la Velocidad de Fraguado

La velocidad a la que fragua el cemento puede variar significativamente debido a varios factores:

• Composición del cemento (proporciones de C3S, C2S, C3A, C4AF).
• Temperatura ambiente y del agua de mezcla.
• Relación agua/cemento utilizada en la pasta.
• Presencia de aditivos (acelerantes o retardadores de fraguado).

Determinación de la Expansividad del Cemento (Ensayo de Le Chatelier)

La expansividad del cemento puede deberse a la presencia de cal libre, magnesio libre o un exceso de yeso, lo que puede comprometer la durabilidad del hormigón.

Ensayo de Le Chatelier

Este ensayo se utiliza para medir la expansión potencial del cemento:

1. Se rellena un molde cilíndrico de latón elástico, ranurado por una de sus generatrices y provisto de dos varillas (agujas).
2. El molde se llena con una pasta de cemento de consistencia normal y se deja fraguar durante 24 horas bajo el agua.
3. Se mide la distancia inicial entre las agujas.
4. Posteriormente, el molde se sumerge en agua hirviendo durante 3 horas para acelerar cualquier expansión.
5. Si hay expansión, la ranura se abre y los extremos de las agujas se separan. La expansión máxima permitida es de 10 mm.