El cemento portland es un conglomerante hidráulico que cuando se mezcla con áridos y agua tiene la propiedad de conformar una masa pétrea resistente y duradera denominada hormigón. Es el más usual en la construcción.

Como cemento hidráulico tiene la propiedad de fraguar y endurecer en presencia de agua, al reaccionar químicamente con ella para formar un material de buenas propiedades aglutinantes.

El cemento portland es el tipo más utilizado como aglomerante para la preparación del hormigón o concreto.

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 Pórtland, en el condado de Dorset.

Fabricación del cemento de portland

La fabricación del cemento de portland se da en tres fases:

• preparación de la mezcla de las materias primas,

• producción del clinker y

• preparación del cemento.

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%),

• óxido de hierro (3%)

• óxido de manganeso (1,6%).

La extracción de estos minerales se hace en canteras, que preferiblemente deben estar próximas a la fábrica, con frecuencia los minerales ya tienen la composición deseada, sin embargo en algunos casos es necesario agregar arcilla, o calcáreo, o bien minerales de hierro, bauxita, u otros minerales residuales de fundiciones.

Esquema de un horno.

La mezcla es calentada en un horno especial, con forma de un gran cilindro (llamado kiln) dispuesto casi horizontalmente, con ligera inclinación, que rota lentamente. La temperatura aumenta a lo largo del cilindro hasta llegar a unos 1400°C, que hace que los minerales se combinen pero sin que se fundan o vitrifiquen.

En la zona de menor temperatura, el carbonato de calcio (calcáreo) se disocia en óxido de calcio y dióxido de carbono (CO2). En la zona de alta temperatura el óxido de calcio reacciona con los silicatos y forma silicatos de calcio (Ca2Si y Ca3Si). Se forma también una pequeña cantidad de aluminato tricálcico (Ca3Al) y ferroaluminato tetracálcico (Ca4AlFe). El material resultante es denominado clinker. El clinker puede ser conservado durante años antes de proceder a la producción del cemento, con la condición de que no entre en contacto con el agua.1

La energía necesaria para producir el clinker es de unos 1.700 julios por gramo, pero a causa de las perdidas de calor el valor es considerablemente más elevado. Esto comporta una gran demanda de energía para la producción del cemento y, por tanto, la liberación de gran cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera, un gas de efecto invernadero.

Para mejorar las características del producto final al clinker se agrega aproximadamente el 2% de yeso y la mezcla es molida finamente. El polvo obtenido es el cemento preparado para su uso.

El cemento obtenido tiene una composición del tipo:

• 64% óxido de calcio

• 21% óxido de silicio

• 5,5% óxido de aluminio

• 4,5% óxido de hierro

• 2,4% óxido de magnesio

• 1,6% sulfatos

• 1% otros materiales, entre los cuales principalmente agua.

Cuando el cemento portland es mezclado con agua, se obtiene un producto de características plásticas con propiedades adherentes que solidifica en algunas horas después 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 y aluminato tricálcico, 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 más lenta del agua con el silicato tricálcico 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 silicio (SiO2). Las tres reacciones generan calor.

Con el agregado de materiales particulares al cemento (calcáreo o cal) se obtiene el cemento plástico, que fragua más rápidamente y es más fácilmente trabajable. Este material es usado en particular para el revestimiento externo de edificios.

La calidad del cemento de portland deberá estar de acuerdo con la norma ASTM C 150.

Reacciones de formación del clinker

Las reacciones de la formación del clinker, por fases de temperatura, son:

de 1.000 a 1.100°C

3CaO+Al2O3 → 3CaOAl2O3

2CaO+SiO2 → 2CaOSiO2

CaO+Fe2O3 → CaOFe2O3

de 1.100 a 1.200°C

CaOFe2O3+3CaOAl2O3 → 4CaOAl2O3Fe2O3

de 1.250 a 1.480°C

2CaOSiO2+CaO → 3CaOSiO2

La composición final será de:

• 51% 3CaOSiO2

• 26% 2CaOSiO

• 11% 3CaOAl2O3

• 12% 4CaOAl2O3Fe2O3

Reacciones de hidratación

Las reacciones de hidratación, que forman el proceso de fraguado son:

2(3CaOSiO2) + (x+3)H2O → 3CaO2SiO2xH2O + 3Ca(0H)2

2(2CaOSiO2)+ (x+1)H2O → 3CaO2SiO2xH2O + Ca(0H)2

2(3CaOAl2O3)+ (x+8)H2O → 4CaOAl2O3xH2O + 2CaOAl2O38H2O

3CaOAl2O3 + 12H2O + Ca(0H)2 → 4CaOAl2O313H2O

4CaOAl2O3Fe2O3 + 7H2O → 3CaOAl2O36H2O + CaOFe2O3H2O

Estas reacciones son todas exotérmicas. La más exotérmica es la hidratación de 3CaOAl2O3, seguida de la de 3CaOSiO2, y luego 4CaOAl2O3Fe2O3 y finalmente 2CaOSiO2.

Reacciones de formación del clinker

Las reacciones de la formación del clinker, por fases de temperatura, son:

de 1.000 a 1.100°C

3CaO+Al2O3 → 3CaOAl2O3

2CaO+SiO2 → 2CaOSiO2

CaO+Fe2O3 → CaOFe2O3

de 1.100 a 1.200°C

CaOFe2O3+3CaOAl2O3 → 4CaOAl2O3Fe2O3

de 1.250 a 1.480°C

2CaOSiO2+CaO → 3CaOSiO2

La composición final será de:

• 51% 3CaOSiO2

• 26% 2CaOSiO

• 11% 3CaOAl2O3

• 12% 4CaOAl2O3Fe2O3

Reacciones de hidratación

Las reacciones de hidratación, que forman el proceso de fraguado son:

2(3CaOSiO2) + (x+3)H2O → 3CaO2SiO2xH2O + 3Ca(0H)2

2(2CaOSiO2)+ (x+1)H2O → 3CaO2SiO2xH2O + Ca(0H)2

2(3CaOAl2O3)+ (x+8)H2O → 4CaOAl2O3xH2O + 2CaOAl2O38H2O

3CaOAl2O3 + 12H2O + Ca(0H)2 → 4CaOAl2O313H2O

4CaOAl2O3Fe2O3 + 7H2O → 3CaOAl2O36H2O + CaOFe2O3H2O

Estas reacciones son todas exotérmicas. La más exotérmica es la hidratación de 3CaOAl2O3, seguida de la de 3CaOSiO2, y luego 4CaOAl2O3Fe2O3 y finalmente 2CaOSiO2.

Cementos portland especiales

Los cementos portland especiales son los que se obtienen de la mismo modo que el cemento portland normal, pero tienen características diferentes a causa de variaciones en el porcentaje de los componentes que lo conforman.

Tipos de cementos portland

• Cemento portland normal (CPN), o común, sin aditivos, es el más empleado en construcción.

• Cemento portland blanco (PB), compuesto por materias primas pobres en hierro, que le dan ese color blanquecino grisáceo. Se emplea para estucos, terrazos, etc.

• Cemento portland de bajo calor de hidratación (CBC), produce durante el fraguado una baja temperatura de hidratación; se obtiene mediante la alteración de los componentes químicos del cemento portland común.

• Cemento portland de elevada resistencia inicial (CER), posee un mayor contenido de silicato tricálcico que le permite un fraguado más rápido y mayor resistencia. Se emplea en muros de contención y obras hidráulicas.

• Cemento portland resistente a los sulfatos (CPS), tiene bajo contenido en aluminato tricálcico, que le permite una mayor resistencia a la acción de sulfatos contenidos en el agua o en el terreno.

• Cemento portland con aire ocluido, tiene un aditivo especial que produce un efecto aireante en el material.