CEMENTO y concreto Camilo Restrepo Restrepo. Ingeniero Ambiental. Magíster en Ciencias en Ingeniería Civil y Ambiental, con énfasis en Aprovechamiento Energético de Residuos y Energía Alternativa. Vicepresidente de Innovación en Argos.

Transformar las diferentes materias primas hasta producir los sacos de cemento es un proceso minucioso. En este artículo se describen las dos formas posibles de hacerlo: por vía seca y por vía húmeda (ver figura 1).

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Minería Mediante procesos de exploración geológica, planeación y explotación de materias primas, se hace la selección de calizas y arcillas aptas para la producción de cemento; las calizas aportan el carbonato de calcio y las arcillas contribuyen con los óxidos de hierro, sílice y aluminio. Estos cuatro minerales son indispensables para la generación de los compuestos químicos responsables de las principales características del cemento. Posteriormente, una vez identificada la calidad y cantidad de material, teniendo en cuenta las condiciones naturales del terreno y el tipo de minería, se procede a la explotación de manera controlada para mantener estables las condiciones de la mina y obtener los tamaños de material requeridos para la siguiente etapa. Trituración Mediante equipos de carga y transporte, las fracciones de material resultante de la explotación son llevadas a las trituradoras, donde su tamaño sigue siendo reducido, hasta obtener diámetros pequeños que puedan ser introducidos en los molinos de la siguiente etapa. Las trituradoras pueden contar con sistemas de cono, mandíbula o martillo, con altas eficiencias para mantener los niveles de producción y sistemas de control tanto para el proceso como para mantener las condiciones ambientales y de seguridad. Molienda primaria Las partículas obtenidas de la trituración son introducidas en molinos conformados por cilindros de gran tamaño que giran rápidamente con cuerpos moledores o esferas metálicas en su interior, cuya función es golpear los materiales hasta pulverizarlos. Los molinos pueden ser horizontales o verticales y generalmente los tamaños de partícula obtenidos después de esta etapa son de 0.3 mm. Homogenización Dependiendo del tipo de proceso, las partículas resultantes de la molienda son homogenizadas con grandes chorros de aire o ciclones si es por vía seca, o en grandes balsas con agua si es por vía húmeda. En todo caso, el objetivo de esta etapa es lograr la

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perfecta distribución de partículas con los diferentes contenidos químicos para garantizar la calidad de una materia prima homogénea. Es posible que en los procesos por vía seca se requiera de una prehomogenización o mezclado inicial de la harina —como es conocida esta mezcla de materias—, usando métodos mecánicos como engranajes de gran formato (ver figura 2). En el proceso por vía húmeda se obtiene una pasta, como es conocida la mezcla de materias primas humedecida, que es llevada mediante bombeo hasta otros sistemas que reducen el contenido de humedad antes de ingresarla a los hornos. Clinkerización Bien sea en forma de harina o en forma de pasta, la materia prima ingresa en un horno rotatorio, vertical y cilíndrico, donde se transforma en clinker, después de haber alcanzado progresivamente una temperatura de 1.450 °C. La operación de estos hornos es controlada para garantizar las transformaciones y reacciones químicas que se presentan gradualmente con las diferentes temperaturas necesarias para la formación de los compuestos del clinker, responsables de las reacciones del cemento. Los hornos cuentan con recubrimientos refractarios internos, de modo que mantienen una temperatura externa tolerada por los metales que le dan estructura, y de esta manera se evita su deformación y deterioro. La combustión se realiza con gas natural, carbón mineral pulverizado y derivados del petróleo o combustibles alternativos provenientes de residuos que aportan la energía térmica que requiere el proceso para su transformación. Los hornos cuentan con chimeneas para evacuar los gases de combustión, cuyas emisiones se controlan según las normas ambientales internacionales. Los polvos provenientes del proceso se controlan mediante el uso de filtros monitoreados permanentemente para garantizar su eficiencia.

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Molienda del cemento El clinker, en compañía del yeso y las adiciones, es pulverizado en grandes molinos, cuyo producto final es el cemento. La finura que se proporciona en esta etapa depende de la velocidad de reacción que se busca en el cemento; a mayor finura mayor velocidad. El yeso se adiciona para controlar la velocidad de fraguado o endurecido del cemento y las adiciones se incorporan en la medida que sean necesarias para brindar otras propiedades como manejabilidad, estabilidad volumétrica, control del calor de hidratación, durabilidad e incremento de resistencias. Para controlar la finura de las partículas se cuenta con separadores dinámicos de alta eficiencia y para reducir la generación de polvo se hace uso de filtros colectores. Almacenamiento, empacado y despacho de cemento Después de la molienda, el cemento es almacenado en silos de gran capacidad, los cuales alimentan a las ensacadoras o directamente a camiones cisterna para despachar el cemento a granel. Para empacar el cemento, se usan máquinas rotatorias o en línea, automáticas o manuales, programadas para llenar los sacos hasta la cantidad especificada. Los bultos son puestos posteriormente sobre estibas, llevados a las plataformas de los camiones y despachados de acuerdo con las solicitudes de los clientes (ver figura 3).

¿QUÉ ES EL CEMENTO? El cemento es una sustancia que une o da cohesión. Su presentación es en forma de polvo y se obtiene al triturar rocas duras (caliza y arcilla) para después quemarlas a 1.450 °C en un horno rotatorio y, finalmente, agregar yeso y otras sustancias. Se endurece con el agua y produce compuestos muy resistentes. La duración antes de usarse depende de su adecuado almacenamiento, aunque se recomienda que este tiempo no exceda los dos meses, pues es un material higroscópico (que puede ganar humedad).

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Modos de preservación El cemento Portland es un material compuesto por partículas muy finas que atrapan agua con facilidad, y que pierde sus propiedades durante el almacenamiento, por lo que es indispensable protegerlo de la humedad del ambiente que lo rodea. Algunas recomendaciones para su recepción, manipulación y almacenamiento en sacos son: Apilar los sacos sobre estibas de madera o plástico que los separen aproximadamente 15 centímetros del suelo. Conservar al menos 20 centímetros de separación entre los sacos y los muros del sitio de almacenamiento. Evitar el exceso de ventilación en el sitio de almacenamiento ya que la humedad del aire es capaz de hidratar el cemento. Almacenar de acuerdo con la velocidad de consumo del cemento: si es inferior a 15 días se considera rápido y podrán hacerse pilas de 15 a 18 sacos. Entre 15 y 30 días son consumos normales y las pilas deberán tener una altura máxima de 15 sacos. Más de 30 días es un consumo lento, debe almacenarse en pilas de 10 sacos y cubrirse con un plástico. El almacenamiento debe hacerse de acuerdo con el orden de llegada, de tal forma que permita una adecuada rotación del cemento, es decir, los primeros sacos que lleguen deben ser los primeros en salir (ver figura 4). Evitar el descargue de cemento bajo lluvia o tomar precauciones para que los sacos no se mojen; los sacos que sufran humedecimiento deben ser utilizados inmediatamente. El transporte debe hacerse protegiendo los sacos de cemento de la intemperie, usando plásticos tanto en la base como en la cubierta. Los sacos de cemento deben ser manipulados con cuidado para evitar lesiones y desperdicios; se recomienda llevar guantes.

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¿Para qué sirve? Entre los principales usos del cemento podemos encontrar: la construcción de estructuras (vigas, columnas o pisos), pegas y revestimientos (pañetes y repellos), obras civiles (puentes, carreteras, presas y túneles) y prefabricados (bloques, adoquines, baldosas, tubos y mobiliario; por ejemplo: bancas de concreto).

¿QUÉ ES EL CONCRETO? Es una masa heterogénea compuesta por agregados (rocas de tamaños específicos), cemento, agua y aire, y según la aplicación se le agregan aditivos. Cuando el concreto está fresco se le puede dar cualquier forma que defina el recipiente, y una vez se endurece tiene las características de ser durable en el tiempo y de resistir esfuerzos mecánicos como la compresión. Cuando el concreto se combina con acero en forma de refuerzo, se le confieren buenas propiedades a flexión, como se explicará más adelante. Concreto simple Es una mezcla de cemento, agua, agregados pétreos normalmente provenientes de la explotación minera, y aditivos que ayudan al material a tener mejor manejabilidad. Esta mezcla posee algunas características básicas, cuyo comportamiento estructural está dado por su resistencia a la compresión o aplastamiento Concreto reforzado Está compuesto por concreto simple y por acero de refuerzo, el cual debe conformar una estructura continua. El acero y el concreto hacen que este material funcione como parte de la estructura de la edificación, pues juntos soportan mejor las cargas a compresión, flexión o estiramiento. El concreto debe producirse en plantas de mezclado o en equipos de preparación llamados concretadoras. El uso de estos equipos asegura la buena homogenización del material, que por su carácter mixto debe tener mejor proceso de mezclado. El concreto suele tener también el uso de fibras, pigmentos y otros elementos que le entregan mayores características de desempeño para

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diferentes usos. Es común tener diseños diferentes para diferentes elementos, como pavimentos, pisos industriales o cubiertas, los cuales constituyen concretos especiales, según la aplicación. ¿Qué es el mortero? Es la mezcla de cemento, arena y agua, y según la aplicación se le agregan aditivos. La arena proporciona volumen a la mezcla, y el cemento mantiene unidas las partículas. Se consiguen morteros de distintas durezas, dependiendo de las proporciones de arena, cemento y aditivos. La elaboración de morteros consiste básicamente en el proceso de amasado que asegura la homogenización del material con el fin de conservar las partículas y mejorar su desempeño mecánico. En los morteros existen varias necesidades adicionales a las mecánicas, constituidas por el desempeño en los tiempos de endurecimiento, pues este material posee elementos básicos de desempeño en estado plástico, según el tiempo en el que es colocado y el contacto con las superficies o sustratos. Historia del cemento y el concreto De acuerdo con algunas investigaciones, los hallazgos más antiguos de los que se tiene conocimiento sobre el uso de mezclas cementantes datan de los años 7000 y 6000 a.C. cuando en las regiones de Israel y la antigua Yugoslavia, respectivamente, se encontraron vestigios de los primeros pisos de concreto a partir de calizas calcinadas (Sánchez de G., 2001) Posteriormente, cerca al año 2500 a.C., se emplearon mezclas de calizas y yesos calcinados para pegar los grandes bloques de piedra que se utilizaron para la construcción de las pirámides de Giza en Egipto. En el año 1950 a.C. se emplearon mezclas similares para rellenar muros de piedra; así se construyó el mural de Tebas en Egipto. Años después estas mezclas empezaron a ser utilizadas como material estructural.

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En el Mediterráneo occidental, cerca al año 500 a.C., los antiguos griegos adoptaron el arte de hacer concreto, y más tarde, en el año 300 a.C. la civilización romana copió algunas técnicas para construir varias de sus obras, entre ellas el Foro Romano.

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Durante el siglo XI a.C., en la población de Puzzoli, mezclando caliza calcinada con finas arenas de origen volcánico, se desarrolló el cemento puzolánico. Esta mezcla fue empleada para la construcción del Teatro de Pompeya en el año 75 a.C. Posteriormente, utilizando rocas de origen volcánico como agregado liviano y jarrones de barro incrustados para aligerar el concreto, se construyó el Coliseo Romano y el domo del Panteón con 50 metros de diámetro. Con la caída del Imperio Romano, el uso del concreto desapareció y fue recuperado por los ingleses hacia el año 700 a.C.

APOGEO DEL CONCRETO En el siglo XVIII el concreto cobró gran importancia, y fue cuando el ingeniero John Smeaton aceptó el encargo de reconstruir el Faro de Eddystone con un material resistente al viento, al fuego y al oleaje (ver figura 5). Así, empezó a investigar diferentes mezclas de mortero hasta desarrollar un cemento hidráulico. El 21 de octubre de 1824, Joseph Apsdin patentó el primer cemento Portland, llamado así por su color grisáceo, similar al color de las rocas explotadas en la bahía de Portland en Inglaterra. La primera fábrica de cemento se instaló dos años después en Wakefield (Inglaterra). Posteriormente, Isaac Johnson mejoró el proceso de producción incrementando la temperatura de calcinación, por lo que se le conoce como el padre moderno del cemento Portland. La primera referencia conocida sobre el uso de concreto reforzado es del año 1830, cuando se embebió en el concreto una malla de barras de acero para la conformación de un techo. En 1835 se empleó por primera vez el concreto a gran escala para la construcción de muros, tejas, marcos de ventana y trabajos de decoración en una edificación para vivienda en Swanscombe (Inglaterra). En Francia, en 1887 se desarrolló el primer cemento blanco, y en Estados Unidos, en 1903 fue perfeccionado, logrando un Portland blanco de mayor calidad.

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En Colombia, hasta 1909 la totalidad del cemento utilizado era importado. En 1905, Industrias e Inversiones Samper inauguró la primera planta cementera en nuestro país e inició operaciones en 1909; dicha planta estaba ubicada en las cercanías de la capital de la república. En los treinta años siguientes incursionaron en el mercado Cementos Diamante (Cundinamarca) y Cementos Argos (Antioquia). Posteriormente, en los años cuarenta se fundaron fábricas en Valle del Cauca (Cementos del Valle), Santander (Cementos Diamante), Magdalena (Cementos Nare) y la Costa Atlántica (Cementos Caribe). Luego surgieron Cementos El Cairo y Hércules (1955), Cementos Río Claro (1986), Cementos Andino (1998), Concrecem (2003) y la nueva planta Cementos Tequendama (2008). Cementos Argos se establece en 1936 y durante los años siguientes contribuye con la conformación de ocho cementeras más en todo el país. Luego, el 28 de diciembre de 2005 todas ellas se fusionan, convirtiéndose en la quinta cementera más importante de Latinoamérica.

IMPACTO AMBIENTAL Durante los últimos cien años, el cemento Portland ha jugado un papel importante en la historia, convirtiéndose en el conglomerante más económico y versátil empleado para la construcción en Colombia y el mundo. En el mundo hay obras y desarrollos representativos de la utilización del concreto. Algunas de las más reconocidas son: Pavimento de concreto más antiguo que se encuentra en servicio: Estados Unidos, 1891. Primeros puentes en concreto para ferrocarril: Estados Unidos, 1894. Primer edificio destacado por su altura: París, 1900. Primeras plantas de concreto premezclado: 1905.

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Canal de Panamá: entre 1904 y 1917. Primer gran puente de concreto: Estados Unidos, 1923. Presa de Hoover, desarrollo de inclusores de aire para concreto: río Colorado, Estados Unidos, 1932. Primeras estructuras preesforzadas, 1946 (Puente de San Rafael en San Francisco). Primeros concretos tremie, 1954. Torre CNN. Prefabricados, microsílice y microrefuerzo. Toronto, 1975. Primeros concretos autocompactantes: Japón, 1980. Eurotúnel, amplios tratados sobre durabilidad: FranciaInglaterra, entre 1987 y 1994. Baiyoke 2, el edificio más alto de Asia hasta la fecha. Tailandia, 1997. Arco de la Defensa. París, 1989 Torres Petronas. Malasia, 1998. Taipei 101, el edificio más alto hasta la fecha. China, 2003. Viaducto de Millau. Puente más alto del mundo. Francia, 2005.

¿QUÉ CEMENTO USAR DEPENDIENDO DE LAS CONDICIONES DE TEMPERATURA Y AMBIENTE Y DEL TIEMPO EN QUE NECESITE HABILITARSE LA OBRA? El Portland tiene un tipo especial para cada necesidad. Los cementos Portland en Colombia se clasifican según la norma técnica NTC-30, que define las siguientes nomenclaturas:

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Cemento Portland Tipo I Cemento de uso común, destinado para todas las obras de concreto en general que no requieran propiedades especiales. Cemento Portland Tipo I M Cemento para obras de concreto que requieren resistencias mayores que las ofrecidas por el tipo I, pero que no exigen otras propiedades especiales. Cemento Portland Tipo II Cemento destinado para obras especiales donde el concreto queda expuesto a la acción moderada de los sulfatos y requieren un moderado calor de hidratación. Cemento Portland Tipo III Cemento que desarrolla altas resistencias iniciales, especial para prefabricados, obras que requieran rápido desmolde o que necesiten ponerse rápidamente en servicio. Cemento Portland Tipo IV Cemento especial para obras que exijan bajo calor de hidratación; por lo general se trata de obras de concreto masivo. Su desarrollo de resistencias es muy lento. Cemento Portland Tipo V Cemento que ofrece alta resistencia al ataque de los sulfatos; es especial para obras en las zonas costeras, volcánicas o industriales. Cemento Portland Blanco Cemento que posee una coloración blanca, sin afectar las demás propiedades, debido a una rigurosa selección de materias primas.

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APLICACIONES BÁSICAS DEL CONCRETO En losas y edificaciones se utiliza para: Cimentación Es la base de la vivienda, y es allí donde debe llegar el peso a través de la estructura; de esta forma, la cimentación que está en contacto con el suelo debe estar en la capacidad de distribuir el peso para que el suelo soporte adecuadamente la vivienda. Losas Son elementos estructurales que conforman la separación entre dos pisos de la vivienda, o también pueden ser cubiertas que se ubican sobre el último nivel de la vivienda. En los dos tipos de losa la principal característica es su gran área superficial que queda expuesta y sobre ella reposan o transitan las cargas vivas de la vivienda. Pisos Los materiales de los pisos pueden ser muy diversos; sin embargo, se debe tener en cuenta su baja permeabilidad, y su resistencia debe ser suficiente para soportar las cargas del tránsito común según sea el uso de la edificación. Normalmente un piso es un elemento estructural que está fundado en terreno compactado para que las cargas sean transferidas de manera eficiente. Cubiertas Aunque pueden ser estructuras independientes, construidas de materiales diferentes a los del resto de la vivienda, deben ser lo suficientemente rígidas para que no se deformen, además de estar perfectamente conectadas al sistema estructural para garantizar su estabilidad.

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En mampostería tiene los siguientes usos: Unidad de mampostería Elemento que, en conjunto, se utiliza para elaborar una mampostería. Puede ser de diversos materiales: piedra, barro, arcilla cocida, concreto, etc., y por lo general tiene forma de prisma rectangular. Unidad de mampostería de concreto Unidad de mampostería de concreto hidráulico que se emplea para elaborar mampostería de concreto. A la unidad perforada verticalmente se le denomina bloque. Bloque Unidad que tiene dos perforaciones principales en el sentido de su altura, para que conformen celdas al superponer varias hiladas en aparejo de petaca o de tizón, o que posee más perforaciones que en las condiciones descritas y no conforman celdas continuas regulares. Pavimento de concreto Es una losa que transporta cargas de tránsito y está soportada por una base granular compactada que transfiere cargas; su trabajo mecánico está asociado a la alta rigidez y a la facilidad de trasporte de esfuerzos. Así mismo, posee trasferencia de carga horizontal por medio de pasadores con el fin de asegurar el buen funcionamiento de la estructura en todos los sentidos. Es un elemento que posee área y espesor muy altos, lo cual lo hace vulnerable a la fisuración, situación por la cual posee diferencias en el proceso constructivo y en los elementos de protección. Andenes Los andenes son las áreas destinadas para la circulación peatonal en las vías públicas o privadas. Generalmente están ubicados adyacentes a las vías vehiculares. Su función principal es proporcionar un camino cómodo y seguro para el tránsito de los peatones sin interferir con las vías.

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Cunetas Las cunetas son estructuras hidráulicas con secciones adecuadas para la recolección y evacuación de las aguas superficiales que escurren de las áreas adyacentes a la vía con el fin de proteger su estructura y conducir las aguas hacia una corriente natural o a una obra de alcantarillado. Cordones Los cordones son elementos que se construyen a los lados de la vía en forma de muros o barreras de poca altura. Pueden desempeñar una o varias de las siguientes funciones: demarcación lateral, separación de la vegetación con el pavimento, demarcación entre carriles, contención y confinamiento del pavimento o demarcación entre diferentes tipos de pavimentos. También sirven para conducir el agua de la superficie del pavimento, generar desniveles entre las zonas vehiculares y peatonales, evitar que los vehículos se salgan de las vías, demarcar lugares de estacionamiento, servir como tope a las llantas y demarcar, en general, las zonas de amueblamiento urbano.

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Galería de fotos

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Proceso de fabricación del cemento Portland Fuente: Argos

Almacenamiento del cemento. Fuente: Argos

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Mezcla inicial de la harina Fuente: Argos

Faro de Eddystone, Reino Unido. www.globalgeografia.com

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Empacado y despacho del cemento Fuente: Argos

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REFERENCIAS La Torre Cañón, Andrés (2008), La industria del cemento en Colombia, determinantes y comportamientos de la demanda (1996-2005), Bogotá, Pontificia Universidad Javeriana. Neville, Adam (1988), Tecnología del concreto, México, Instituto Mexicano del Cemento y el Concreto. Sánchez de Guzmán, Diego (2001), Tecnología del concreto y del mortero, Bogotá, Bhandar Editores.

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