¿CUÁL ES LA COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL CEMENTO Y CÓMO AFECTA SUS PROPIEDADES?

Experto
LAURA CHIPATECUA

Ingeniera Química

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RESUMEN: 

El cemento está compuesto por clinker y yeso donde la composición química y las fases del clinker proporcionan diferentes propiedades al cemento, propiedades como altas resistencias tempranas o resistencia a los sulfatos son explicadas directamente por el porcentaje de las fases que contiene el cemento, por esta razón es importante entender cuáles son dichas fases y cuáles son sus propiedades.

Las materias primas empleadas para la producción de clinker deben contener Calcio (Ca), Sílice (Si), Aluminio (Al) y Hierro (Fe). Estos se encuentran en forma de óxidos en las materias primas y estos óxidos son los siguientes: óxido de calcio o cal (CaO), dióxido de sílice o silicato (SiO2), óxido de aluminio o aluminato (Al2O3) y óxido de hierro (Fe2O3).

Cuando se habla de la química del cemento se emplea una abreviatura basada en los óxidos ya mencionados que son transformados en productos más complejos en el proceso de clinkerización, los principales compuestos del cemento y su abreviatura se encuentran en la Tabla 1.

Tabla 1. Principales compuestos del cemento. Fuente: elaboración propia

Ya que estos compuestos no se encuentran de manera aislada en el cemento se habla de fases del cemento, estas fases tienen una alta proporción de alguno de los componentes con algún porcentaje de impurezas. Las fases del cemento son la alita (C3S), la belita (C2S), celita o compuestos de aluminato (C3A) y la felita (C4AF), que es rica en ferritos y aluminatos de calcio.

Cada fase aporta diferentes propiedades al cemento las cuales se describen a continuación:

  • Alita: Compuesta por silicato tricálcico y la fase principal ya que constituye del 50% al 70% del clinker, genera alto calor de hidratación y es responsable, en gran parte, por el inicio de fraguado y las resistencias tempranas.
  • Belita: Compuesta de silicato dicálcico constituyendo entre el 15% y el 30% del clinker, a comparación de la alita la belita tiene un bajo calor de hidratación y se hidrata y endurece de manera más lenta así que contribuye a las resistencias a partir de los 7 días.
  • Celita o compuestos de aluminato: La fase compuesta principalmente por el aluminato tricálcico genera un alto calor de hidratación. La cual constituye del 5% al 10% del clinker.

 

El aluminato tricálcico reacciona con los sulfatos y se produce sulfoaluminato de calcio hidratado o etringita. La etringita siempre se forma en el proceso de hidratación ya que el yeso que se agrega al cemento para regular el fraguado es sulfato de calcio, esta etringita se denomina primaria. Sin embargo, el cemento podría reaccionar con sulfatos externos que lo penetran o que sea adicionado posteriormente y se formaría etringita secundaria, generando una reacción expansiva y pudiendo producir fisuras y perdida de resistencia. Debido a lo anterior, para algunos tipos de cemento se regula su contenido.

 

En la imagen 1 se muestra la forma microscópica de la etringita en el cemento.

Imagen 1. Imagen microscópica de la etringita. Fuente: Giraldo M, (2006). Evolución mineralógica del cemento portland durante el proceso de hidratación. Dyna, 73(148), 69-81,http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0012-73532006000100007, 03-01-2021
  • Felita: Esta fase constituye del 5% al 15% del clinker, contribuye a la reducción de la temperatura de clinkerización durante la fabricación del cemento y muy poco a la resistencia del cemento, por otro lado, influye en el color gris que caracteriza los cementos.

En la imagen 2 se puede observar y distinguir cada una de las fases del clinker anteriormente mencionadas.

Imagen 2. Los colores son: rojo – silicato tricálcico, azul claro – silicato dicálcico, verde – aluminato tricálcico, amarillo – ferroaluminato tetracálcico. Fuente: Diseño y Control de Mezclas de Concreto, PCA, 06-01-2021

Como se pudo observar cada fase aporta diferentes propiedades al cemento las cuales están ilustradas en las Figuras 1 y 2 en donde se muestra el comportamiento individual de cada una respecto a la resistencia del cemento y al calor de hidratación.

Figura 1. Desarrollo de la resistencia de compuestos puros. Fuente: Tecnología del concreto, Neville, A., 06-01-2021
Figura 2. Calor de hidratación de los principales compuestos del clinker. Fuente: Tecnología de concreto: Tomo 1 Materiales, propiedades y diseño de mezclas, ASOCRETO, 06-01-2021

En Colombia los cementos se clasifican según la NTC 121 la cual es la adaptación de la ASTM C 1157, En la cual se clasifican los cementos hidráulicos por su desempeño. La ASTM C150 clasifica los cementos Portland  por su composición química.

La NTC 31 define al cemento hidráulico y al cemento portland de la siguiente manera:

  • Cemento hidráulico: Cemento que fragua y se endurece mediante una reacción química con el agua, y que es capaz de hacerlo inclusive bajo el agua.
  • Cemento Portland: Cemento hidráulico producido mediante la pulverización de clínker, compuesto esencialmente de silicatos de calcio hidráulico cristalino y que usualmente contiene uno o más de los siguientes elementos: agua, sulfato de calcio, hasta el 5% de caliza y de adiciones de proceso.ICONTEC (2020), Cementos. Terminología relacionada con el cemento hidráulico y otros cementos inorgánicos

En la Tabla 2 se encuentran los tipos de cemento dependiendo de su aplicación.

Tabla 2. Aplicaciones para los cementos dependiendo de su clasificación. Fuente: Diseño y Control de Mezclas de Concreto, PCA, 06-01-2021

La NTC 121 no establece especificaciones químicas para los cementos hidráulicos, pero teniendo en cuenta la clasificación de los cementos mostrada en la Tabla 2 y la información de cada fase se puede concluir que fase debe ser analizada en la composición del clinker teniendo en cuenta el porcentaje en masa en el cual se encuentra.

Tabla 3.Concentración de las fases en el clinker dependiendo de su aplicación. Fuente: elaboración propia

Si bien la norma colombiana no especifica la composición química de los cementos hidráulicos, es importante conocer qué componentes impactan en qué propiedades y de esta manera hacer una lectura adecuada de resultados de análisis químicos que se hacen con fines informativos.

 

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Anon, LAS REACCIONES EXPANSIVAS (2021). https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/3315/55864-4.pdf?sequence=4&isAllowed=y , consultado el 3 de enero de 2021

ASOCRETO (2010), Tecnología de concreto: Tomo 1 Materiales, propiedades y diseño de mezclas. Asociación Colombiana de Productores de Concreto – ASOCRETO, consultado el 6 de enero de 2021

ASTM (2007), Especificación Normalizada para Cemento Portland (C150), consultado el 6 de enero de 2021

Componentes y propiedades del cemento | Características – IECA. (2021). https://www.ieca.es/componentes-y-propiedades-del-cemento/, consultado el 3 de enero de 2021

Causas químicas del deterioro del hormigón – Artículos técnicos Morteros de reparación de hormigón. (2019). https://anfapa.com/articulos-tecnicos-morteros-de-reparacion-de-hormigon/1164/causas-quimicas-del-deterioro-del-hormigon, consultado el 3 de enero de 2021

GIRALDO M., M. (2006). Evolución mineralógica del cemento portland durante el proceso de hidratación. Dyna, 73(148), 69-81, http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0012-73532006000100007, consultado el 3 de enero de 2021 

ICONTEC (2020), Cementos. Terminología relacionada con el cemento hidráulico y otros cementos inorgánicos (NTC 31), consultado el 6 de enero de 2021

ICONTEC (2014), Especificación de desempeño para cemento hidráulico (NTC 121), consultado el 3 de enero de 2021

Neville, A. (2013), Tecnología del concreto, Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C., consultado el 6 de enero de 2021

Portland Cement Association PCA (2004), Diseño y Control de Mezclas de Concreto. PCA, consultado el 6 de enero de 2021

Valorización de los áridos utilizados en hormigones de obras hidráulicas con indicios de ataque por sulfatos al hormigón – www.concretonline.com. (2018). https://www.concretonline.com/aridos/valorizacion-de-los-aridos-utilizados-en-hormigones-de-obras-hidraulicas-con-indicios-de-ataque-por-sulfatos-al-hormigon,consultado el 3 de enero de 2021

CONCLUSIÓN

Las propiedades del cemento son resultado directo de su composición química y de la interacción que tienen las fases con el ambiente.

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Acerca del autor

  • LAURA CHIPATECUA

    Profesión: Ingeniera Química
    País: Colombia

    Soy Ingeniera Química de la Universidad de América (2018), siempre he tenido un gran interés por la investigación científica participando en el semillero de investigación por 2 años y he trabajado siempre en atención al cliente. Actualmente, hago parte del equipo de Asesoría Técnica para Cementos Argos S.A

    El camino del progreso no es ni rápido ni fácil.

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