Cómo se hacen el cemento y el concreto

Si piensas en ladrillos como rocas artificiales, el cemento podría considerarse lava artificial, una piedra líquida que se vierte en su lugar donde se endurece hasta convertirse en solidez.

Muchas personas hablan de cemento cuando se refieren al concreto.

• Cemento es un compuesto de grano fino que se convierte en sólido cuando se mezcla con agua. El cemento se utiliza para unir mezclas de materiales en un sólido compuesto.
• Hormigón es una mezcla de cemento, arena y grava. Es decir, el cemento es el pegamento de hormigón.

Ahora que está claro, hablemos del cemento. El cemento comienza con la cal.

La cal es una sustancia utilizada desde la antigüedad para hacer cosas útiles como yeso y mortero. La cal se hace quemando o calcinando piedra caliza, y así es como caliza recibe su nombre Químicamente, la cal es óxido de calcio (CaO) y se prepara tostando calcita (CaCO₃) para eliminar el dióxido de carbono (CO₂). Ese CO₂, un gases de efecto invernadero, es producido en grandes cantidades por la industria del cemento.

La cal también se llama cal viva o calx (del latín, donde también obtenemos la palabra calcio). En los viejos misterios de asesinatos, se rocía cal viva sobre las víctimas para disolver sus cuerpos porque es muy cáustico.

Mezclada con agua, la cal se convierte lentamente en el mineral portlandita en la reacción CaO + H₂O = Ca (OH)₂. La cal generalmente se apaga, es decir, se mezcla con un exceso de agua para que permanezca fluida. La cal apagada continúa endureciéndose durante un período de semanas. Mezclado con arena y otros ingredientes, el cemento de cal apagado puede empaquetarse entre piedras o ladrillos en una pared (como mortero) o extenderse sobre la superficie de una pared (como revoque o yeso). Allí, durante las próximas semanas o más, reacciona con CO₂ en el aire para formar calcita nuevamente: ¡piedra caliza artificial!

El concreto hecho con cemento de cal se conoce de sitios arqueológicos tanto en el Nuevo como en el Viejo Mundo, algunos de más de 5000 años de antigüedad. Funciona extremadamente bien en condiciones secas. Tiene dos inconvenientes:

• El cemento de cal tarda mucho tiempo en curarse, y aunque el mundo antiguo tenía mucho tiempo, hoy el tiempo es dinero.
• El cemento de cal no se endurece en el agua pero permanece blando, es decir, no es un cemento hidráulico. Entonces, hay situaciones en las que no se puede usar.

Se dice que las pirámides de Egipto contienen un cemento hidráulico a base de sílice disuelta. Si esa fórmula de 4500 años de antigüedad se puede confirmar y revivir, sería una gran cosa. Pero el cemento de hoy tiene un pedigrí diferente que todavía es bastante antiguo.

Alrededor de 1000 a. C., los antiguos griegos fueron los primeros en tener un accidente afortunado, al mezclar cal con finas cenizas volcánicas. La ceniza se puede considerar como roca naturalmente calcinada, dejando al silicio en un estado químicamente activo como el calcio en la piedra caliza calcinada. Cuando esta mezcla de ceniza de cal se apaga, se forma una sustancia completamente nueva: silicato de calcio hidratado o lo que los químicos de cemento llaman C-S-H (aproximadamente SiCa₂O₄·XH₂O) En 2009, los investigadores que usaron modelos numéricos obtuvieron la fórmula exacta: (CaO)_1.65(SiO₂) (H₂O)_1.75.

C-S-H sigue siendo una sustancia misteriosa hoy, pero sabemos que es un gel amorfo sin ninguna estructura cristalina establecida. Se endurece rápido, incluso en agua. Y es más duradero que el cemento de cal.

Los antiguos griegos utilizaron este nuevo cemento de formas nuevas y valiosas, construyendo cisternas de concreto que sobreviven hasta nuestros días. Pero los ingenieros romanos dominaron la tecnología y también construyeron puertos marítimos, acueductos y templos de hormigón. Algunas de estas estructuras son tan buenas como siempre hoy, dos mil años después. Pero la fórmula del cemento romano se perdió con la caída del imperio romano. La investigación moderna continúa descubriendo secretos útiles de los antiguos, como lo inusual composición de hormigón romano en un rompeolas construido en 37 a. C., que promete ayudarnos a ahorrar energía, usar menos cal y producir menos CO₂.

Si bien el cemento de cal continuó en uso durante la Edad Media y Oscura, el cemento hidráulico verdadero no se redescubrió hasta fines del siglo XVIII. Experimentadores ingleses y franceses aprendieron que una mezcla calcinada de piedra caliza y arcilla puede convertirse en cemento hidráulico. Una versión en inglés se denominó "cemento Portland" por su parecido con la piedra caliza blanca de la isla de Portland, y el nombre pronto se extendió a todo el cemento fabricado por este proceso.

Poco después, los fabricantes estadounidenses encontraron calizas con arcilla que producían excelente cemento hidráulico con poco o ningún procesamiento. Este cemento natural barato constituía la mayor parte del hormigón americano durante la mayor parte del siglo XIX, y la mayor parte provenía del ciudad de Rosendale en el sur de Nueva York. Rosendale era prácticamente un nombre genérico para el cemento natural, aunque otros fabricantes estaban en Pennsylvania, Indiana y Kentucky. El cemento Rosendale se encuentra en el Puente de Brooklyn, el edificio del Capitolio de los EE. UU., La mayoría de los edificios militares del siglo XIX, la base de la Estatua de la Libertad y muchos otros lugares. Con la creciente necesidad de mantener estructuras históricas utilizando materiales históricamente apropiados, El cemento natural de Rosendale está siendo revivido.

El verdadero cemento Portland lentamente ganó popularidad en Estados Unidos a medida que los estándares avanzaron y el ritmo de construcción se aceleró. El cemento Portland es más caro, pero se puede hacer en cualquier lugar donde se puedan ensamblar los ingredientes en lugar de depender de una formación rocosa afortunada. También cura más rápido, una ventaja cuando se construyen rascacielos un piso a la vez. El cemento predeterminado de hoy es alguna versión del cemento portland.

Hoy en día, la piedra caliza y las rocas que contienen arcilla se sinterizan, se tuestan juntas a una temperatura casi de fusión, entre 1400 ° y 1500 ° C. El producto es una mezcla grumosa de compuestos estables llamada clinker. Clinker contiene hierro (Fe) y aluminio (Al), así como silicio y calcio, en cuatro compuestos principales:

• Alite (Ca₃SiO₅)
• Belite (Ca₂SiO₄), conocidos por los geólogos como larnita
• Aluminate (Ca₃Alabama₂O₆)
• Ferrita (Ca₂AlFeO₅)

El clínker se muele en polvo y se mezcla con una pequeña cantidad de yeso, que ralentiza el proceso de endurecimiento. Eso es cemento Portland.

El cemento se mezcla con agua, arena y grava para hacer concreto. El cemento puro es inútil porque se encoge y se agrieta; También es mucho más caro que la arena y la grava. A medida que la mezcla se cura, se producen cuatro sustancias principales:

• C-S-H
• Portlandita
• Ettringita (Ca₆Alabama₂(ENTONCES₄)₃(OH)₁₂· 26H₂O incluye algo de Fe)
• Monosulfato ([Ca₂(Al, Fe) (OH)₆] · (ENTONCES₄, OH, etc.) ·XH₂O)

Los detalles de todo esto son una intrincada especialidad, lo que hace que el concreto sea una tecnología tan sofisticada como cualquier otra en su computadora. Sin embargo, la mezcla de concreto básica es prácticamente a prueba de estupidez, lo suficientemente simple para que usted y yo la usemos.