El cementante:

El concreto es un material multicomponente cuyas propiedades dependen de las interrelaciones entre los constituyentes que lo conforman.  L a pasta cementante, es decir, la matriz que aglomera los agregados y complementarios, está elaborada a partir de cemento, adiciones minerales, aditivos químicos, aire y agua. Las proporciones y calidades de estos materiales, afectan significativamente la definición de las características microestructurales que determinarán las características macroscópicas del concreto.

El objetivo de esta asociación de materiales es producir un conglomerado sólido, de apariencia densa, pétrea, compacta y porosa, el cual lastimosamente permite la entrada de líquidos y gases que provienen del exterior ^[1] , pero que posee importantes características identificables objetivamente, de fluidez en su estado fresco, y de resistencia y durabilidad en su estado endurecido. El resultado final, dependerá de muchos factores, incluyendo el tipo de producción, el manejo de la mezcla y las condiciones ambientales. Un papel particularmente importante es el que tiene el material cementante utilizado.

El reglamento colombiano de construcción ^[2] , define los cementantes como materiales que tienen propiedades cementantes por sí mismos al ser utilizados en el concreto, tales como el cemento portland, los cementos hidráulicos adicionados y los cementos expansivos, o dichos materiales combinados con cenizas volantes, otras puzolanas crudas o calcinadas, humo de sílice, y escoria granulada de alto horno o ambos.

Vale la pena aquí diferenciar los términos, cemento portland, cemento adicionado, cemento expansivo, y cemento hidráulico especificado por desempeño. Todos son cementos hidráulicos, pero con unos rasgos distintivos derivados del cumplimiento de unas normas estándar.

El cemento portland (OPC) es producido a partir de la combinación de clinker pulverizado, constituido esencialmente por silicatos de calcio hidráulicos, y sulfato de calcio. Adicionalmente es permitido un porcentaje menor de adiciones. Este cemento debe cumplir los requisitos de composición química y propiedades físicas exigidos por la norma ASTM C150. Presenta 8 tipos de designación: tipo I para cuando no se requieren propiedades especiales del cemento, tipo II de uso general con moderada resistencia a los sulfatos y moderado calor de hidratación, tipo III de altas resistencias iniciales, tipo IV de bajo calor de hidratación, tipo V de alta resistencia a los sulfatos, y tipos IA, IIA, y IIIA, con los mismos usos que los tipo I, II y III, pero con incorporador de aire.

Por otra parte, el denominado cemento adicionado , corresponde a un c emento elaborado básicamente de una íntima y uniforme mezcla de escoria granulada de alto horno y cal hidratada; o una íntima y uniforme mezcla de cemento portland y escoria granulada de alto horno, cemento portland y puzolana, o cemento portland con escoria de alto horno y puzolana, producida por molienda conjunta de clinker de cemento portland con los otros materiales o mezclando cemento portland con los otros materiales, o una combinación de molienda conjunta y mezcla ^[3] . Debe responder a los requerimientos específicos de composición química y propiedades físicas de la norma ASTM C595 , y presenta las siguientes designaciones: tipo IS - cemento portland de escoria de alto horno, tipo IP - cemento portland puzolánico, tipo P - cemento portland puzolánico para cuando no se requiere altas resistencias a edades iniciales, tipo I (PM) - cemento portland modificado con puzolana, tipo I (SM) - cemento portland modificado con escoria, y tipo S - cemento de escoria. 

Los cementos expansivos son cementos que se expanden durante el periodo inicial de endurecimiento después del fraguado. Su composición comprende esencialmente silicatos, aluminatos, y sulfatos de calcio. La norma ASTM C845 especifica los requerimientos de su composición química y propiedades.      

En cuanto al cemento hidráulico especificado por desempeño, este debe cumplir los requerimientos de la norma ASTM C1157 , y se refiere a un cemento sin restricciones en su composición, elaborado con propiedades específicas relacionadas al desempeño del concreto. Así los cementos son designados como tipo GU (UG*) para construcción general, tipo HE (ART) de alta resistencia temprana, tipo MS (MRS) de moderada resistencia a los sulfatos, tipo HS (ARS) de alta resistencia a los sulfatos, tipo MH (MCH) de moderado calor de hidratación, y tipo LH (BCH) de bajo calor de hidratación. 

Nota: (*) En paréntesis la designación usada en Colombia.

Una aclaración importante, es que desde un punto de vista amplio, la norma ASTM C1157 cubre tanto los cementos portland como los adicionados. Adicionalmente, los cementos adicionados pueden ser producidos a partir de la mezcla (o molienda conjunta) de cemento portland o clinker con otros materiales para lograr ciertas propiedades. De esta manera, pueden ser especificados bajo la norma ASTM C595 o C1157.

Algunos aspectos significativos del cemento portland:

El cemento portland es un polvo mineral que puede desarrollar resistencia al reaccionar con agua. Este aglomerante hidráulico es producido a partir de una mezcla de aproximadamente 80% de roca caliza y 20% de arcillas ^[4] . ACI ^[5] menciona que el cemento portland puede ser producido a partir de abundantes materias primas, como piedra caliza, arcilla, arena, cenizas volantes, y cascarilla de laminación, entre otras. Í ntimamente mezclados estos materiales, son llevados a un horno a temperatura de 1400 a 1600°C, temperatura a la cual, interactúan químicamente para formar los compuestos cementantes del cemento portland.  La gran generación de CO ₂ en el proceso se debe a la descomposición de la roca caliza. Principalmente la roca caliza aporta el calcio, y la arcilla el hierro, la alúmina y la sílice. El material resultante es templado y se le denota como clinker. Finalmente al producto molido del clinker con cerca de 5% de sulfato de calcio (anhidro o dihidrato)   se le denomina cemento portland ordinario (OPC).

Cada fabricante de cemento portland utiliza un nombre comercial o marca, con el que es vendido, pero el material está hecho por los mismos procesos generales para dar conformidad con los requisitos aplicables para el tipo de cemento ^[6] .

Como se ha mencionado, la especificación estándar para el cemento portland es la ASTM C150, presentando 8 tipos de cemento. En términos generales dentro de los requerimientos están, tener una perdida por ignición máxima del 3%, excepto el cemento tipo IV con máximo 2.5%, tener un residuo insoluble máximo de 0.75%, y no contener adiciones, excepto adiciones de procesamiento usadas en la manufactura del cemento y de acuerdo a la norma ASTM C465. En la versión 2012 de la norma ASTM C150 ^[7] viene incluida la posibilidad de usar hasta un 5% en masa de adiciones de procesamiento inorgánicas, a menudo cenizas volantes de carbón o cemento de escoria, y hasta en un 5% en masa del producto definitivo de cemento, de caliza finamente molida, como ingrediente adicional (cambio realizado igualmente en algunas versiones anteriores de la norma). Es de destacar, que estos dos resientes cambios reducen la cantidad de clinker en el OPC.

Aproximadamente l a composición típica del cemento Portland es 67% de CaO, 22% de SiO ₂, 5% de Al ₂O ₃, 3% de Fe ₂O ₃ y 3% de otros componentes ^[8] . Se suele considerar principalmente 4 fases mineralógicas a la hora de describir su naturaleza, silicato tricálcico, silicato dicálcico, aluminato tricálcico, y ferroaluminato tetracálcico (véase Tabla 1). Estos cuatro componentes pueden ser observados directamente por microscopía en una superficie pulida de clinker ^[9] . Las proporciones de estos compuestos dentro del cemento afectan de manera importante su desempeño. La suma de C ₃S y C ₂S es aproximadamente el 75% en masa para cada uno de los 5 tipos de OPC. Por eso a los cementos portland se les suele llamar cementos a base de silicatos de calcio ^[10] . Adicionalmente en el cemento se encuentran otros compuestos menores como CaO, MgO, Na ₂O y K ₂O.   La presencia de fase amorfa es variable, dependiendo en cuanto al clinker, de su composición y velocidad de enfriamiento ^[11] . 
 

Tabla 1 Principales fases mineralógicas del cemento portland**

(*) El término Celita es usado algunas veces y se refiere a la mezcla de C ₃A y C ₄AF. [12]

(**) Fuente: Adaptado de AMERICAN CONCRETE INSTITUTE. Cementitious materials for concrete. ACI Education Bulletin E3-13. Farmington Hills, MI: ACI, 2013. 30 p. 

La hidratación del OPC es compleja involucrando la hidratación de los diferentes   componentes químicos mencionados ^[13] . Debido a esto se generan diferentes productos, principalmente el hidróxido de calcio (CH), denominado también portlandita y de naturaleza mayormente cristalina, y el  gel de silicato cálcico hidratado (CSH), llamado también gel de tobermorita y de características especialmente amorfas ^{[14] , [15]} . Otros constituyentes menores son los aluminatos y sulfo- aluminatos hidratados AFm y AFt. Entre las fases tipo AFm se encuentran el monosulfoaluminato y el monocarboaluminato cálcicos;  y entre las AFt, la ettringita, de características cristalinas ^{[16] , [17] , [18]} .

El CSH es el principal producto de hidratación del OPC. Las propiedades mecánicas, químicas y de transporte del cemento hidratado son controladas por este producto ^[19] . No tiene una estequiometria  definida, por eso se suele representar como C–S–H, donde los guiones denotan la versatilidad estequiometrica. Su fórmula química aproximada es ~1.5-1.9CaO·SiO ₂·nH ₂O donde n, el número de moléculas de agua, depende de la humedad relativa y la temperatura ^{[20] , [21]} . Junto con el CH, el cual es un componente con una definida estequiometria, Ca(OH) ₂, los dos compuestos ayudan a proteger de la corrosión al acero de refuerzo embebido en el concreto. Por un lado, el CSH conforma una barrera densa que dificulta el ingreso de sustancias agresivas, y por otro lado, el CH contribuye a la alta alcalinidad del medio en que se encuentra embebido el refuerzo, ayudando a   generar el ambiente de pasividad que evita la corrosión. Adicionalmente el CH actúa como receptor de CO ₂, dificultando su ingreso, reaccionando y precipitando en calcita.

Una de las razones por la que se ha implementado la sustitución del clinker, con SCMs, en los llamados cementos adicionados, es la disminución de la contaminación producida. El beneficio ecológico de esta práctica, manteniendo competencias comparables al OPC, es sin duda un gran atractivo. Sin embargo, la reserva alcalina que tiene que ver con la cantidad de productos alcalinos que ayudarán a impedir el ingreso del CO ₂, es menor para los cementos adicionados que para el cemento portland puro. También es de señalar, que la velocidad de ingreso del CO ₂ no depende únicamente de la capacidad receptora o de fijación de esta sustancia por parte del cementante, sino además de otros factores relacionados con la permeabilidad, propiedad en la cual el uso de adiciones ha mostrado buenos desempeños.