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CEMENTO PORTLAND
El cemento Portland es un conglomerante o cemento hidraulico que cuando se mezcla con aridos, agua y fibras de acero discontinuas y discretas tiene la propiedad de conformar una masa pétrea resistente y duradera denominada hormigón. Es el mas usual en la construcción y es utilizado como aglomerante para la preparación del hormigón (llamado concreto en Hispanoamérica). Como cemento hidraulico tiene la propiedad de fraguar y endurecer en presencia de agua, al reaccionar químicamente con ella para formar un material de buenas propiedades aglutinantes.
Fue inventado en 1824 en Inglaterra por el constructor Joseph Aspdin. El nombre se debe a la semejanza en aspecto con las rocas que se encuentran en la isla de Portland, en el condado de Dorset A diferencia de lo que muchos creen, su origen no esta relacionado con Portland, Oregón, EE. UU. .

FABRICACION DEL CEMENTO PORTLAN
Faces de la fabricación del cemento Portland:
Extracción de la materia prima.
Trituración de la materia prima y pre-homogenización
Preparación del crudo
Producción del Clinker.
Preparación del cemento, adicciones y embazado.


1. EXTRACCION  DE LA MATERIA PRIMA:
El proceso de fabricación del cemento comienza con la obtención de las materias primas necesarias para conseguir la composición deseada para la producción del clinker.
Las materias primas para la producción del portland son minerales que contienen
Óxido de calcio (44 %),
Óxido de silicio (14,5 %),
Óxido de aluminio (3,5 %),
Óxidos de hierro (3 %)
Óxido de manganeso (1 %).
La extracción de estos minerales se hace en canteras, que preferiblemente deben estar próximas a la fabrica. Con frecuencia los minerales ya tienen la composición deseada; sin embargo en algunos casos es necesario agregar arcilla, o bien carbonato de calcio, o bien minerales de hierro, bauxita, u otros minerales residuales de fundiciones.
Los componentes basicos para el cemento Pórtland como se mencionan son: , obtenida de materiales ricos en cal, como la piedra caliza rica en , con impurezas de , y , de Margas, que son calizas acompañadas de sílice y productos arcillosos, conchas marinas, arcilla calcarea, greda, etc.
y , obtenidos de Arcilla, arcilla esquistosa, pizarra, ceniza muy fina o arena para proporcionar sílice y alúmina , que se obtiene de mineral de hierro, costras de laminado o algún material semejante para suministrar el hierro o componente férreo.
Con los dos primeros componentes se produce cemento Pórtland blanco, el tercero es un material fundente que reduce la temperatura de calcinación necesaria para la producción del cemento gris. Esta disminución en la temperatura, hace que sea mas económico en su fabricación, en relación al cemento blanco, aunque ambos poseen las mismas propiedades aglomerantes.
El número de materias primas requeridas en cualquier planta depende de la composición química de estos materiales y de los tipos de cemento que se produzcan. Para llevar a cabo una mezcla uniforme y adecuada, las materias primas se muestrean y analizan en forma continua, y se hacen ajustes a lasproporciones mientras se realiza el mezclado.

2. TRITURACIÓN Y PRE-HOMOGENIZACIÓN
La finalidad de la trituración y posterior molienda es reducir el tamaño de las partículas de la materia prima, para que las reacciones químicas de cocción en el horno puedan realizarse de forma adecuada.
En el proceso de producción de cemento portland, tenemos que aplastar a muchos de los componentes de primas, por ejemplo, calizas, arcillas, minerales de hierro y carbón.
La piedra caliza tiene la mayor proporción entre los componentes de primas para la producción de cemento portland. Como piedra caliza que acaba de ser extraída es bastante masiva y fuerte. Fabricas de cemento en general dan mucha importancia a la piedra caliza de trituración en el método de trituración de materias primas.
La trituración se realiza en dos etapas, primeramente la piedra bruta se pasa por la trituradora primaria, donde los fragmento se reducen desde un tamaño de 1.5m a 15cm, y en seguida el producto triturado pasa a la trituradora secundaría, la cual lo reduce hasta un tamaño de alrededor de 1,5cm hasta alcanzar la granulometría deseada.
Durante esta etapa puede efectuarse la primera mezcla entre calizas y esquistos, de acuerdo a estandares químicos según el tipo de cemento a producirse. La composición química de la mezcla de minerales es determinada en línea, a través de un analizador de neutrones, lo que permite que durante el proceso de trituración se realicen ajustes continuos en la proporción de materiales. Finalmente debido al proceso de almacenaje que se lleva a cabo en la galerade pre-homogenización se reducen las variaciones en la calidad del material para lotes tan grandes como 20,000tm, los que quedan listos para ser utilizados en la siguiente etapa.








3. MOLINO Y PREPARACION DEL CRUDO
Durante este proceso se continúa la reducción del tamaño de las partículas y se efectúa un secado de los materiales, previo a ser sometidos a altas temperaturas en los hornos. Los molinos reciben los materiales triturados y pre-homogenizados, y en ellos se realiza simultaneamente la mezcla, al igual que la pulverización de los mismos.
La molienda de materias primas (molienda de crudo) se realiza en equipos mecanicos rotatorios, en los que la mezcla dosificada de materias primas es sometida a impactos de cuerpos metalicos (molino de bolas Fuller en la planta de cemento “El Puente”) o a fuerzas de compresión elevadas.
La composición química de la mezcla de minerales es determinada en línea, a través de un analizador de neutrones previo a la entrada al molino, lo que permite que durante el proceso de molienda de harina cruda se realicen ajustes continuos en la proporción de los materiales.
El producto es un polvo muy fino, por ello llamado 'harina cruda', con la composición química adecuada para el tipo de cemento que se esté produciendo.
La reducción en la variación de la calidad de la harina cruda, se hace posible gracias al almacenamiento de la misma en silos especiales para homogenización. Una segunda etapa en el control de calidad de la harina cruda se realiza en el producto que esta entrando a lossilos, en la cual, en la línea de transporte del polvo crudo se toman muestras representativas para controlar su composición y la finura del producto, a través de un analizador de rayos X, que pueden realizar analisis químicos completos en tiempos muy cortos y con gran precisión.
4. PROCESOS DE FABRICACIÓN DEL CLINKER
Se usa un molino vertical de rodillos, para secar y reducir el material hasta que de 80 a 90% de este pase por el tamiz Nº200. A medida que el material es forzado hacia la corriente de gas caliente proveniente del horno, produciéndose la deshidratación y la des-carbonatación.
El material procesado en el horno rotatorio alcanza una temperatura entorno a los 1450ºC. Parte primordial del funcionamiento del horno se basa en la formación de fase líquida y de nodulización. La formación de fase líquida se refiere a la fundición de compuestos que forman dicha fase y que eventualmente permiten la aglomeración del material en nódulos. Esta parte del proceso es de vital importancia para la formación del clinker, ya que una correcta nodulización del material influira decisivamente en la calidad del producto. Una buena nodulización permite un clinker con mejor molturabilidad y cementos con cristalografía que proporcione mejores condiciones de hidratación y mejor desarrollo de resistencias

La etapa final del proceso de clinkerización es el enfriamiento. El clinker producido en el horno es enfriado en el mismo sufriendo reacciones químicas hasta la solidificación de la fase líquida, formandose granos duros, del tamaño de una nuez; luegoes pasado a un enfriador tipo parrilla. El enfriamiento del clinker en el enfriador tiene gran importancia debido a que es en este proceso en el que se determinan las características finales del clinker en cuanto a molturabilidad, resistencia mecanica y durabilidad química
El Clinker sale del horno candente a una temperatura normalmente en el rango de 1100 - 1400° C y pasa del horno al enfriador. La finalidad de un enfriador no es solo enfriar el clinker, si no también recuperar el calor y devolverlo al horno en forma de aire precalentado primario, secundario o terciario para el proceso de combustión. El clinker que sale del enfriador debe estar suficientemente frío para no dañar el equipo de manejo, particularmente las bandas transportadoras de caucho.
El sistema de enfriador posee una parrilla que se encarga de transportar el material a medida que este es enfriado, debajo de la parrilla tiene varios compartimentos, recibiendo cada compartimento aire de enfriamiento de un ventilador independiente.
Posteriormente, el clinker es transportado a un parque de almacenamiento para su tratamiento en el siguiente proceso.
















5. PREPARACION DEL CEMENTO PORTLAND
Para mejorar las características del producto final del Clinker se agrega aproximadamente el 2 % de yeso (aljez) para dar el siguiente paso en el proceso de producción de cemento.
La molienda del Clinker
Se da en forma conjunta con otros minerales que le confieren propiedades específicas al cemento. Para producir cemento portland, se tienen que moler 3 toneladas dematerial (que incluye todo tipo de suministros primas, combustible, clinker, materiales mixtos y yeso) para ser capaz de desarrollar una tonelada particular de cemento portland. El yeso, por ejemplo, es utilizado para retardar el tiempo de fraguado (o endurecimiento) de la mezcla de cemento y agua, y así permitir su manejo. También se pueden adicionar otros materiales como las puzolanas o arenas volcanicas, las que producen concretos mas duraderos, impermeables y con menor calor de hidratación, que un cemento Pórtland ordinario compuesto sólo por clinker y yeso.
Una vez mas el analisis del producto saliendo del molino es prioritario, por lo que el mismo también se lleva a cabo por medio de un analizador de rayos X, que permite el ajuste en las proporciones de los materiales y así obtener las características del cemento específico que se esta produciendo. El control del tamaño de las partículas de cemento molido es otra variable de gran importancia, pues afecta grandemente sus propiedades; por lo que su medición frecuente es considerada.
El cemento obtenido del molino puede ser empacado directamente en empaques (en centro América en general son empaques de 42 Kg) o transportado y guardado en grandes compartimientos llamados silos; estos silos estan equipados con terminales de cargas especialmente diseñados para el despacho en grandes cantidades por camiones de carga. Para su despacho el transporte se ubica debajo de las torres y mediante mangas de carga especiales se produce el llenado de los mismos de acuerdo a las toneladas solicitadas.
El cemento obtenidotiene una composición del tipo:
64 % óxido de calcio
21 % óxido de silicio
5,5 % óxido de aluminio
4,5 % óxidos de hierro
2,4 % óxido de magnesio
1,6 % sulfatos
1 % otros materiales, entre los cuales principalmente agua.
NORMAS - CEMENTO PORTLAND
- Analisis químico (ASTM C 114-16 T): Este analisis consiste en un grupo de procedimientos de prueba por el que se determina cuantitativamente los óxidos, alcalis y residuos del cemento. La química de los cementos es una cuestión complicada, por lo que es indispensable tener personal especializado para ejecutar estos analisis.
-Finura, superficie específica en centímetros cuadrados por gramo. (Especificación ASTM C 115-58 o C 204-55): Los dos aparatos mas comunes para medir la finura del cemento Portland son el turbidímetro de Wagner y el aparato de Polaine para determinar la permeabilidad del aire. El turbidímetro se basa en la teoría de la sedimentación para obtener la distribución de las partículas en tamaños con la que se calcula la superficie específica. Se dispersa una muestra de cemento en keroseno en una probeta de vidrio y se mide la velocidad de sedimentación por los cambios en la intensidad de la luz que pasa a través de la suspensión. En el método de permeabilidad al aire se determina la superficie específica haciendo pasar una cantidad definida de aire por una muestra preparada. La cantidad de aire que pasa es una función del tamaño y distribución de las partículas.
-Constancia de volumen (ASTM C 266-58 T o C 191-58): Las agujas de Gillmore y las de Vicat se utilizan para determinar la rapidez con la quese endurece el cemento Portland. Se prepara una muestra de pasta en condiciones especificadas y se cura a humedad y temperatura constantes. Se apoya la aguja de Gillmore o la de Vicat sobre la pasta un tiempo determinado, y la penetración indica la dureza o fraguado. La composición química, la finura, el contenido de agua y la temperatura son factores importantes que influyen en la duración del fraguado, y como el fraguado es un punto muy importante, es importante que se controle cuidadosamente.
-Resistencia a la compresión en lb/pulg (ASTM C 109-58): La muestra del cemento se mezcla con una arena con alto grado de silicio y agua en las proporciones prescritas y se moldean en cubos de 2x2x2 pulgadas. Estos cubos se curan y luego se prueban a la compresión para obtener una indicación de las características que sirven para desarrollar la resistencia del cemento.
-La calidad del cemento Portland debera estar de acuerdo con la norma ASTM C 150.
FUNCION DEL YESO
El yeso, o aljez, se agrega generalmente al clínker para regular el fraguado. Su presencia hace que el fraguado se concluya aproximadamente en 45 minutos. El yeso reacciona con el aluminato tricalcico para formar una sal expansiva llamada 'estringita'.
OTRAS CARACTERISTICAS
Cuando el cemento Portland se mezcla con agua se obtiene un producto de características plasticas con propiedades adherentes que solidifica en algunas horas y endurece progresivamente durante un período de varias semanas hasta adquirir su resistencia característica. El endurecimiento inicial es producido por la reacción del agua, yeso yaluminato tricalcico, formando una estructura cristalina de calcio-aluminio-hidrato, estringita y monosulfato.
El sucesivo endurecimiento y el desarrollo de fuerzas internas de tensión derivan de la reacción mas lenta del agua con el silicato tricalcico formando una estructura amorfa llamada calcio-silicato-hidrato. En ambos casos, las estructuras que se forman envuelven y fijan los granos de los materiales presentes en la mezcla. Una última reacción produce el gel de sílice (). Las tres reacciones generan calor.
Con el agregado de materiales particulares al cemento (carbonato de calcio (calcareo)) o cal) se obtiene el cemento plastico, que fragua mas rapidamente y es mas facilmente trabajable. Este material es usado en particular para el revestimiento externo de edificios.
En el 2004, los principales productores mundiales de cemento de Portland fueron Lafarge en Francia, Holcim en Suiza y Cemex en México. Algunos productores de cemento fueron multados por comportamiento monopolístico.
TIPOS DE CEMENTO PORTLAND
Si se conoce la composición de un cemento, se puede deducir su comportamiento, por ejemplo, los cementos con alto contenido de producen resistencia alta y la desarrollan rapidamente; si se desea producir un cemento de bajo calor de hidratación y resistencias a los sulfatos (tipo II), se disminuye el porcentaje de y por consiguiente se aumenta el , a la vez que se reduce el contenido de por adición de mineral de hierro para favorecer la mayor formación de.
Los diversos tipos de cemento contienen las cuatro fases en diferentes proporciones. Las cantidadesrelativas de los cuatro componentes dependen de la selección y dosificación de las materias primas, por ejemplo, si las materias primas no contienen hierro () el cemento sera “cemento blanco”.
Practicamente la totalidad de los países han reglamentado las especificaciones físicas y químicas que se deben cumplir para cada tipo de cemento. En el caso Colombiano, como en gran cantidad de países crearon las normas con base a las establecidas por la “American Society for Testing and Materials” (ASTM), realizando ligeros cambios para adaptarlas a nuestro medio. Estas normas son redactadas por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas (ICONTEC). En general se definen los siguientes tipos de cementos Portland, que se explican a continuación
TIPO I: cemento de uso general, no se requiere de propiedades y características especiales. Es un cemento normal, se produce por la adición de clinker mas yeso. De uso general en todas las obras de ingeniería donde no se requiera miembros especiales. De 1 a 28 días realiza 1 al 100% de su resistencia relativa
TIPO II: Cemento modificado para usos generales. Resiste moderadamente la acción de los sulfatos, como por ejemplo en las tuberías de drenaje (muros de contención, pilas, presas), se emplea también cuando se requiere un calor moderado de hidratación. El cemento Tipo II adquiere resistencia mas lentamente que el Tipo I, pero al final alcanza la misma resistencia. Las características de este Tipo de cemento se logran al imponer modificaciones en el contenido de Aluminato Tricalcico () y el Silicato Tricalcico () del cemento. Se utiliza enalcantarillados, tubos, zonas industriales. Realiza del 75 al 100% de su resistencia.
TIPO III: Cemento de alta resistencia inicial, recomendable cuando se necesita una resistencia temprana en una situación particular de construcción. El concreto hecho con el cemento Tipo III desarrolla una resistencia en tres días, igual a la desarrollada en 28 días para concretos hechos con cementos Tipo I y Tipo II ; se debe saber que el cemento Tipo III aumenta la resistencia inicial por encima de lo normal, luego se va normalizando hasta alcanzar la resistencia normal. Esta alta resistencia inicial se logra al aumentar el contenido de C3S y C3A en el cemento. Dado a que tiene un gran desprendimiento de calor el cemento Tipo III no se debe usar en grandes volúmenes. Su resistencia es del 90 al 100%.
TIPO IV: Cemento de bajo calor de hidratación se ha perfeccionado para usarse en concretos masivos. El bajo calor de hidratación de Tipo IV se logra limitando los compuestos que mas influye en la formación de calor por hidratación, o sea, C3A y C3S. Dado que estos compuestos también producen la resistencia inicial de la mezcla de cemento, al limitarlos se tiene una mezcla que gana resistencia con lentitud. Es utilizado en grandes obras, moles de concreto, en presas o túneles. Su resistencia relativa de 1 a 28 días es de 55 a 75%.
TIPO V: Cemento con alta resistencia a la acción de los sulfatos (Plataformas marinas), se especifica cuando hay exposición intensa a los sulfatos. Las aplicaciones típicas comprenden las estructuras hidraulicas expuestas a aguas con alto contenido de alcalisy estructuras expuestas al agua de mar. La resistencia al sulfato del cemento Tipo V se logra minimizando el contenido de C3A, pues este compuesto es el mas susceptible al ataque por el sulfato. Realiza su resistencia relativa del 65 al 85 %.
CAMPOS DE APLICACIÓN
Se emplea en todo tipo de obra que no requiera de un cemento especial, a saber:
Estructuras de Hormigón Armado, pretensado y pos-tesado
Pre-moldeados
Pavimentos, pistas de aeropuertos y puentes
Canales y alcantarillas
Trabajos de albañilería (carpetas, morteros)
Por su elevada resistencia y rapida evolución, se recomiendan especialmente para:
Hormigones de alta resistencia
Habilitación al transito (fast-track). Pavimentos de hormigón donde se requiere una rapida
Estructuras elaboradas con encofrados deslizantes.
Hormigonados en períodos de baja temperatura
Los hormigones elaborados con Cemento Portland Normal poseen los maximos valores de resistencia, permitiendo:
Incrementar la seguridad, si se mantiene la dosificación
Posibilitar, ademas, una durabilidad mayor
Economizar el costo, si se reduce el contenido de cemento
Los hormigones elaborados con Cemento Portland Normal desarrollan una rapida evolución de resistencia posibilitando:
Acortar los tiempos de obra
Habilitar mas rapidamente la obra
Reducir costos
El Cemento Portland Normal es moderadamente resistente a los sulfatos.
CLASIFICACION DE LOS CEMENTOS
Cementos naturales: conglomerantes hidraulicos que resultan de la calcinación de mezclas naturales de caliza y arcilla, seguida de una fina molturación; por lo tanto podemos decirque son cales hidraulicas. Esta contraindicado para hormigones resistentes y hormigón armado.
Cementos artificiales Portland: son todos aquellos cementos que su fabricación parten de mezclas de caliza mas arcilla; hay una constancia de composición que no se da en las margas naturales.
CUALIDADES DEL CEMENTO
Resistencia: la resistencia a la compresión es afectada fuertemente por la relación agua/cemento y la edad o la magnitud de la hidratación.
Durabilidad y flexibilidad: ya que es un material que no sufre deformación alguna
El cemento es hidraulico porque al mezclarse con agua, reacciona químicamente hasta endurecer. El cemento es capaz de endurecer en condiciones secas y húmedas e incluso, bajo el agua.
El cemento es notablemente moldeable: al entrar en contacto con el agua y los agregados, como la arena y la grava, el cemento es capaz de asumir cualquier forma tridimensional.
El cemento (y el hormigón o concreto hecho con él) es tan durable como la piedra. A pesar de las condiciones climaticas, el cemento conserva la forma y el volumen, y su durabilidad se incrementa con el paso del tiempo.
El cemento es un adhesivo tan efectivo que una vez que fragua, es casi imposible romper su enlace con los materiales tales como el ladrillo, el acero, la grava y la roca.
Los edificios hechos con productos de cemento son mas impermeables cuando la proporción de cemento es mayor a la de los materiales agregados.
El cemento ofrece un excelente aislante contra los ruidos cuando se calculan correctamente los espesores de pisos, paredes y techos de concreto.