EL CEMENTO
1. DEFINICIÓN: El cemento es un conglomerante formado a partir de una mezcla de caliza y arcilla calcinadas y posteriormente molidas, que tiene la propiedad de endurecerse al contacto con el agua. Mezclado con agregados pétreos (grava y arena) y agua, crea una mezcla uniforme, maleable y plástica que fragua y se endurece, adquiriendo consistencia pétrea, denominada hormigón (en España, parte de Suramérica y el Caribe hispano) o concreto (en México y parte de Suramérica). Su uso está muy generalizado en construcción e ingeniería civil.
2. TIPOS DE CEMENTO Se pueden establecer dos tipos básicos de cementos: a) base de arcilla: Obtenidos a partir de arcilla y piedra caliza en proporción 1 a 4 aproximadamente. b) Puzolánicos: La puzolana del cemento puede ser de origen orgánico o de origen volcánico. Existen diversos tipos de cemento, diferentes por su composición, por sus propiedades de resistencia y durabilidad, y por lo tanto por sus destinos y usos. Desde el punto de vista químico se trata en general de una mezcla de silicatos y aluminatos de calcio, obtenidos a través del cocido de calcareo, arcilla y arena. El material obtenido, molido muy finamente, una vez que se mezcla con agua se hidrata y solidifica progresivamente. Puesto que la composición química de los cementos es compleja, se utilizan terminologías específicas para definir las composiciones. 3. PROPIEDADES QUÍMICAS Composición química Las materias primas constituyentes del cemento son principalmente cal, sílice, alumina y óxido de hierro. Durante el proceso de producción del cemento estos compuestos interactúan para luego formar una serie de productos más complejos (silicatos cálcicos, aluminatos cálcicos y ferritos) que alcanzan un estado de equilibrio químico, con la excepción de un residuo de cal no combinada la cual no ha tenido suficiente tiempo para reaccionar esta es denominada como cal libre. Para obtener una ideal general de la composición del cemento, la tabla 2.2. nos indica los límites de la mezcla de los diferentes óxidos de los cementos Portland.
TABLA 1. Límites de composición aproximados para cemento Pórtland Oxido CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO Álcalis SO3
Contenido, % 60-67 17-25 3-8 0.5-6.0 0.1-4.0 0.2-1.3 1-3
Dada la complejidad de la composición química del cemento, se entiende por esta a la química de los silicatos y aluminatos cálcicos anhidros e hidratados. Las formulas se expresan usualmente como suma de óxidos por ejemplo: 3CaO + SiO2 = Ca3SiO5 = C3S En la expresión anterior tenemos la formación del silicato tricalcico, la última expresión es la forma simplificada más usada para la denominación de estos compuestos. Estos compuestos se forman en el interior del horno cuando la temperatura alcanza el punto en que la mezcla cruda se transforma en un líquido pastoso, que al enfriarse da origen a sustancias cristalinas de los primeros compuestos citados, rodeados por un material intersticial que contiene C4AF y otros compuestos secundarios. Estos compuestos, denominados potenciales, no son verdaderos compuestos en el sentido químico pues no se encuentran aislados sino en fases las que contienen algunas impurezas, sin embargo las proporciones calculadas de estos compuestos revelan valiosa información en cuanto a las propiedades del cemento. Silicato tricalcico (C3S).También denominado Alita, es la fase principal en la mayoría de los clinkeres Pórtland, y se compone de 73.7% de cal y 26.3% de ácido silícico. Este compuesto presenta cristales poligonales bien formados, con dimensiones que varían según el grado de cristalización, siendo bien desarrollados cuando la cocción ha tenido lugar a temperatura suficientemente elevada y durante bastante tiempo, así como en presencia de una cantidad adecuada de fase liquida. El silicato tricálcico contribuye de manera muy importante a las resistencias iniciales, siendo su velocidad de hidratación alta, así también desarrolla una alto calor de hidratación, se estima que su calor de hidratación completa en 120 cal/gr.
Experimentalmente se ha comprobado que los concretos elaborados con cementos con mayor porcentaje de silicato tricálcico presentan una mejor acción a los ciclos de hielo y deshielo. Se recomienda su uso en zonas de climas fríos dado su alto calor de hidratación, sin embargo no en construcciones masivas por la baja estabilidad volumétrica que pueden producir. Silicato bicálcico (C2S).También denominado Belita, es la segunda fase en importancia en el clinker, y se compone de 65.1% de cal y 34.9% de ácido silícico. Este compuesto presenta cristales relativamente anchos, de contornos redondeados y tamaño variable. El silicato bicálcico tiene una lenta velocidad de hidratación y desarrollo de calor bajo, 62 cal/gr, dada su lenta velocidad de endurecimiento, la contribución del silicato bicálcico a las resistencias iniciales es muy pequeña, siendo su efecto posterior la fuente principal de resistencia. Su estabilidad química es bastante buena, por lo que el uso de cementos con alto contenido de silicato bicálcico para producir concretos resistentes al ataque de sulfatos es muy recomendable. Aluminato tricálcico (C3A).El aluminato tricálcico se compone de 62.3% de cal y 37 .7% de alúmina. Este compuesto presenta un color oscuro ante el examen microscópico del clinker, después de los álcalis, los aluminatos son los compuestos del cemento que primero reaccionan con el agua. Su fraguado ocurre a una velocidad de hidratación muy alta, hasta el punto de ser casi instantáneo, es por esta razón que la adición de sulfato de calcio se hace necesaria para controlar esta velocidad de hidratación. El aluminato tricálcico contribuye en las resistencias durante las primeras horas, su calor de hidratación es muy elevado 207 cal/gr. Tanto la resistencia del concreto a ciclos de hielo y deshielo asi como su resistencia al ataque de sulfatos tiende a disminuir conforme se incrementa el contenido de aluminato tricálcico en el cemento. El aluminato tricálcico es muy sensible a la acción de sulfatos y cloruros, debido a la formación de sales del tipo sulfoaluminatos y cloroaluminatos, la formación de estas sales es de carácter expansivo, pudiendo originar agrietamiento y desintegración del concreto. La forma de ataque es por reacción del sulfato de calcio con el hidroaluminato tricálcico resultante de la hidratación del aluminato tricálcico, favoreciendo la formación del llamado bacilo del cemento químicamente sulfoaluminato de calcio hidratado, este compuesto es l a
causa de las formas más peligrosas de corrosión del concreto. Se recomienda un contenido máximo de aluminato tricálcico es del orden de 7%. Ferroaluminato tetracálcico (C3A).El ferroaluminato tetracálcico se compone de 46.1% de cal, 21% de alúmina y 32.9% de óxido de hierro. También es denominado Celita clara o Ferrito. Este compuesto presenta un calor de hidratación de 100 cal/gr y una alta estabilidad química, los cementos ricos en este compuesto tienen condiciones de empleo especificas en todos aquellos casos en que importe más la durabilidad frente a los agresivos químicos que las resistencias mecánicas.
4. PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS Las propiedades físicas y mecánicas del cemento Pórtland permiten complementar las propiedades químicas y conocer otros aspectos de su bondad como material cementante. Peso específico.El peso específico del cemento corresponde al material en estado compacto. Su valor suele variar para los cementos Pórtland normales entre 3.0 y 3.2. En el caso de cementos adicionados el valor es menor de 3.0 y depende de la finura del material adicionado. Es por su menor peso específico que los cementos Pórtland adicionados proporcionan una mayor cantidad de pasta para un mismo peso de cemento, esto mejora las características de trabajabilidad de los concretos elaborados con estos cementos. Superficie específica (finura).La finura de un cemento es función del grado de molienda del mismo y está íntimamente ligado a su valor hidráulico. Puesto que la hidratación de los granos d cemento ocurre desde la superficie hacia el interior, el área superficial total de las partículas de cemento constituyen el material de hidratación. La importancia de la finura de un cemento radica en la influencia que puede tener sobre la velocidad de hidratación, la resistencia inicial y el calor generado. La fragua de los cementos es más rápida y el agrietamiento más temprano conforme son más finos. La exhudación disminuye conforme la fineza se incrementa; y la absorción se incrementa con el grosor del grano. La resistencia a la compresión se incrementa más que la resistencia a la tensión conforme aumenta la fineza del cemento. La resistencia a la compresión está relacionada a la resistencia a la flexión como la raíz cuadrada de la superficie
especifica. La contracción parece ser una función lineal de la superficie específica y el agrietamiento puede relacionarse con el grado de desarrollo de resistencia del concreto y en general, los cementos que ganan rápidamente su resistencia son los más propensos a agrietarse. Al aumentar la fineza de cualquier cemento aumenta su velocidad para desarrollar resistencia y así indirectamente, el riesgo de grietas por contracción. Troxell ha encontrado que la parte más activa de un cemento es el material de diámetro menor de 10 a 15 micrones. Y desde que el área superficial varia con el cuadrado del diámetro de una partícula, un incremento de material en esta amplitud de tamaños es mucho más efectiva en el incremento de la superficie específica, y por tanto de la actividad de un cemento, que una correspondiente reducción en algunas de las fracciones más gruesas. Para determinar la finura de un cemento existen diferentes métodos entre ellos tenemos: la prueba de Blaine y el turbidimetro Wagner. Fraguado.Este es el término utilizado para describir la rigidez de la pasta del cemento, aun cuando la definición de rigidez de la pasta puede considerarse un poco arbitraria. En términos generales el fraguado se refiere a un cambio del estado fluido al estado rígido. Aunque durante el fraguado la pasta adquiere cierta resistencia, para efectos prácticos es conveniente distinguir el fraguado del endurecimiento, pues este último término se refiere al incremento de resistencia de una pasta de cemento fraguada. El proceso de fraguado va acompañado de cambios de temperatura en la pasta del cemento: el fraguado inicial corresponde a un rápido aumento en temperatura y el final, al máximo de temperatura. En este momento también se produce una fuerte caída en la conductividad eléctrica, por lo que se han realizado algunos intentos de medir el fraguado por medios eléctricos. Resistencias mecánicas.La resistencia mecánica del cemento endurecido es la propiedad del material que posiblemente resulta más obvia en cuanto a los requisitos para usos estructurales. Por lo tanto, no es sorprendente que las pruebas de resistencia estén indicadas en todas las especificaciones del cemento. La resistencia de un cemento es función de su fineza, composición química, grado de hidratación, así como del contenido de agua de la pasta. La velocidad de desarrollo de la resistencia es mayor durante el periodo inicial de endurecimiento y tiende a disminuir gradualmente en el tiempo. El valor de la resistencia a los 28 días se
considera como la resistencia del cemento. Anteriormente se ha indicado, de qué manera se desarrolla el proceso de endurecimiento del cemento. Compacidad de los cementos.La compacidad es una característica usualmente asociada a la mecánica de suelos, sin embargo la particularidad de las mezclas de concreto de usar materiales granulares abarcan este concepto, el cual ha sido recientemente usado para caracterizar a los cementos y su interacción con los aditivos plastificantes y superplastificantes. La compacidad y porosidad de los materiales finos como el cemento no puede ser medida en seco como en caso de las gravas y arenas. En efecto es indispensable tomar en cuenta la floculación generada en presencia del agua, y el efecto defloculante de los superplastificantes o plastificantes que son utilizados en el concreto. Para esto se desarrolló el ensayo de demanda de agua, bajo el principio siguiente: en una mezcla de peso Pp de cemento con una cantidad de agua Pe necesaria para hacer pasar la mezcla de un estado de tierra húmeda a un estado de pasta homogénea, esta cantidad de agua es considerada como la cantidad que llena la porosidad del acomodo de los granos.
5. EL CEMENTO PORTLAND El cemento Portland es el tipo de cemento más utilizado como ligante para la preparación del hormigón o concreto. Fue inventado en 1824 en Inglaterra por el albañil Joseph Aspdin. El nombre se debe a la semejanza en su aspecto con las rocas encontradas en Portland, una isla del condado de Dorset. La fabricación del cemento Portland se da en tres fases: (i) Preparación de la mezcla de las materias primas; (ii) Producción del clinker; y, (iii) 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%) y óxido de magnesio (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 residuos de fundiciones.
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 (Ca 2Si 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. La energía necesaria para producir el clinker es de unos 1.700 julios por gramo, pero a causa de las pérdidas 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 Portland deberá estar de acuerdo con la norma ASTM C 150.
6. REACCIONES DE FORMACIÓN DEL CLINKER 1000 –1100°C 3CaO+Al2O3 2CaO+SiO2 CaO+Fe2O3
3CaOAl2O3 2CaOSiO2 CaOFe2O3
1100 –1200°C CaOFe2O3+3CaOAl2O3
4CaOAl2O3Fe2O3
1250 - 1480°C 2CaOSiO2+CaO
3CaOSiO2
La composición final será de: 50% 3CaOSiO2 25% 2CaOSiO2 12% 3CaOAl2O3 8% 4CaOAl2O3Fe2O3
7. REACCIONES DE HIDRATACIÓN Las reacciones de hidratación, que forman el proceso de fraguado son: 2(3CaOSiO2) + (x+3)H2O 2(2CaOSiO2)+ (x+1)H2O 2(3CaOAl2O3)+ (x+8)H2O 3CaOAl2O3 + 12H2O + Ca(OH) 2 4CaOAl2O3Fe2O3 + 7H2O
3CaO2SiO2xH2O + 3Ca(OH) 2 3CaO2SiO2xH2O + Ca(OH) 2 4CaOAl2O3xH2O + 2CaOAl 2O38H2O 4CaOAl2O313H2O 3CaOAl2O36H2O + CaOFe2O3H2O
Estas reacciones son todas exotérmicas. La más exotérmica es la hidratación de 3CaOAl2O3, seguida de la de 3CaOSiO 2, y luego 4CaOAl2O3Fe2O3 y finalmente 2CaOSiO2.
8. MÉTODOS DE FABRICACIÓN DEL CEMENTO Se usan dos procesos principales para la fabricación del cemento: A. El proceso seco donde las materias primas son reducidas a un tamaño apropiado, luego son molidas, mezcladas y alimentadas al horno para formar el clinker, después del cual se agrega yeso al clinker y la mezcla final es molida para formar el cemento portland. B. El proceso húmedo, difiere del anterior en que para adecuar la materia prima, se agrega agua durante la molienda, luego el material es agregado al horno en la forma de un lodo (slurry). 8.1 EL PROCESO SECO: de fabricación del cemento empieza con la extracción de la piedra caliza de la cantera. Esta piedra, la principal materia prima, debe ser reducida de tamaño, lo cual se hace en sucesivas etapas pasando del tamaño de la roca al de un grano de harina. Al iniciar el último paso de reducción se dosifican las otras materias primeras, la arcilla y el mineral de hierro. El material así preparado está listo para ingresar al horno, donde a altas temperaturas se transforman los óxidos naturales en un mineral artificial llamado clínker. La última parte del proceso consiste en la molienda del clínker con un poco de yeso natural para regular el fraguado, y cuando se agregan aditivos y otros materiales. Las etapas en el proceso seco de obtención del cemento son: I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX.
I.
Selección de la materia prima Trituración y molienda de la materia prima. Prehomogenización (mezcla de los materiales en las proporciones correctas, para obtener el polvo crudo). Molienda del polvo crudo Homogenización del polvo crudo Calcinación del polvo crudo. Almacenamiento de clinker Transformación de clinker en cemento (Molienda del producto calcinado, conocido como clínker, junto con una pequeña cantidad de yeso). Almacenamiento y embarque
Materias primas El proceso de producción se inicia con la extracción de las materias primas (caliza y otros) de la zona de canteras mediante un sistema de explotación superficial (tajo abierto). Para fabricar el clinker, base para la fabricación del cemento, se requiere esencialmente caliza y pizarra, además se emplean minerales de fierro (hematita) y sílice en cantidades pequeñas (1 a 5 %) para obtener la composición deseada.
I.
Caliza
Se encuentra en las capas superficiales de muchos cerros y montañas, en depósitos de profundidad variable, Los hay de más de 200 metros. Para la fabricación de cemento se sacan volúmenes muy grandes porque la caliza representa el 80% de las materias primas que forman el clínker. Por eso conviene que esté cerca de la planta; de no ser así el costo del cemento se elevaría demasiado por razón del acarreo. Debido a su dureza se extrae de las canteras con el empleo de explosivos. Una voladura puede producir de 30 a 100 mil toneladas de materia prima. II.
Pizarra
Se les llama "pizarra" a las arcillas constituidas principalmente por óxidos de silicio de un 45 a 65%, por óxidos de aluminio de 10 a 15%, por óxidos de fierro de 6 a 12% y por cantidades variables de óxido de calcio de 4 a 10%. La pizarra representa aproximadamente un 15% de la materia prima que formará el clínker. Como estos minerales son relativamente suaves, el sistema de extracción es similar al de la caliza, sólo que requiere explosivos con menor potencia. III.
Sílice
Eventualmente se agregan arenas sílicas que contienen de 75% a 80% de sílice, para obtener el óxido de silicio requerido en la mezcla cruda. Los depósitos de sílice comúnmente se denominan jales de sílice. Los jales son un desecho de las minas, rico en óxido de silicio. IV.
Hematita
A lo que aporta mineral de fierro se le llama 'hematita', aunque pueden ser diversos minerales de fierro o escoria de laminación. La hematita contiene entre 75 y 90% de óxido férrico. Con estos minerales se controla el contenido de óxido férrico de la mezcla. La hematita constituye entre el 1 y 2% de la mezcla cruda. V.
Caolín
El caolín es una arcilla con alto contenido de alúmina que se utiliza para la fabricación del cemento blanco. II.
Trituración y molienda de la materia prima. Todo el material necesita reducirse al tamaño máximo de ¾”, para que pueda alimentar a
los molinos, de manera que es preciso triturar las grandes rocas resultantes de las voladuras de caliza. Generalmente esta operación (trituración primaria y trituración secundaria)se realiza en las mismas canteras, de donde se transporta el material a los respectivos patios de almacenamiento de la planta. III.
Prehomogenización La prehomogenización se lleva a cabo mediante un sistema especial de almacenamiento y recuperación de los materiales triturados, de tal forma que el material resultante se uniforma en distribución de tamaño y composición
De los patios de prehomogeneización los minerales son transportados por medio de sistemas de bandas, y descargados a tolvas, las cuales alimentan a los poidómetros para dosificar los materiales. Los poidómetros son mecanismos que tienen una banda giratoria bajo la cual hay una báscula electrónica. Si cae poco material, la velocidad de la banda aumenta y viceversa. Una vez triturada, prehomogeneizadas y dosificadas, las materias primas alimentan a los molinos de crudo.
IV.
Molienda de polvo crudo La molienda se realiza para facilitar la reacción química de los materiales en el horno, en los molinos se hace un muestreo a cada hora, se verifica la composición química, y se comprueba la finura del polvo. El resultado del análisis indica si es preciso ajustar la dosificación y la finura, ya que la mezcla cruda necesariamente debe conservar cierta relación entre los óxidos de silicio, aluminio, fierro y calcio. Se lleva un estricto control químico, además, las partículas de caliza no deben ser mayores de 125 micras y las de cuarzo no deben medir más de 45 micras para garantizar una operación normal del horno. si la mezcla de polvo crudo no fuera uniforme, el horno tendería a enfriarse o a calentarse demasiado, lo que obligaría a ajustar la velocidad o el flujo de combustible.
VI.
Homogeneización de polvo crudo. El producto de la molienda se lleva a un silo homogeneizador, donde un sistema neumático mezcla el material para mejorar su uniformidad, y lo deposita en los silos de almacenamiento. De los silos sale a una tolva de nivel constante que lo transporta a la parte más alta de la unidad de calcinado
VII.
Calcinación del polvo crudo La unidad de calcinación consta de cuatro zonas: secado, precalentamiento, precalcinación y clinkerización El secado implica la evaporación de la humedad de la materia prima a 110 o C El precalentador aumenta la capacidad de la unidad de calcinación, ahorra energía y reduce el dióxido de carbono que sale a la atmósfera. La temperatura de calcinación es de 1450 o C. El polvo calcinado y convertido en clinker pasa al enfriador, donde se le inyecta aire a presión que lo enfría hasta 40 o C. Los cambios físicos y químicos son graduales. Cuando el polvo crudo entra a la cuarta zona del horno cambia su composición química en una suma de compuestos que se llama clínker. La palabra clínker procede del inglés y significa 'escoria'. Se define clínker como el producto obtenido por fusión incipiente de materiales arcillosos y calizos que contengan óxido de calcio, silicio, aluminio y fierro en cantidades convenientemente calculadas. El producto de la calcinación debe tener una composición química predeterminada. No debe haber exceso de cal porque aparecería como cal libre en el cemento y hacer un concreto produciría expansiones y grietas. Sería un cemento insano. Es importante, por ende, evitar la cal libre mediante la correcta dosificación de las materias primas y una clinkerización a la temperatura adecuada, (1450° C).
VIII.
Almacenamiento de clinker El clinker frió se almacena a cubierto, de donde se conduce a la molienda final en la combinación con yeso, puzolana, caliza y otros y otros aditivos, según el tipo de cemento que se desea obtener
IX.
Transformación de clinker en cemento (Molienda del producto calcinado, conocido como clínker, junto con una pequeña cantidad de yeso). Para producir cemento se pulveriza el clinker, y se le agrega yeso como retardador del fraguado, y la puzolana natural, que es un material volcánico, la cual contribuye a la resistencia del cemento. Para producir cemento se parte del clínker. al material proveniente de la pulverización del clínker se le agrega yeso sin calcinar, así como materiales que no excedan del 1% del peso total y que no sean nocivos para el comportamiento posterior del cemento. El yeso que se mezcla funciona como retardador del fraguado. La combinación de clínker y yeso alcanza una proporción óptima. Es decir, para obtener un cemento con mayor resistencia se requiere agregar el yeso necesario solamente. Cierta relación de clínker y yeso ofrecen una resistencia inicial un día después de fraguar. Para mejorar resistencia a los 28 días la proporción debe ser otra.
Yeso
El yeso que usa es el sulfato de calcio dihidratado. Regula la hidratación y el fraguado del cemento mediante una reacción con el aluminato tricálcico. Al formar el sulfoaluminato tricálcico, la mezcla se va hidratando poco a poco y además acelera la hidratación del silicato tricálcico. El yeso para hacer cemento necesita ser muy puro. Proceso físico-químico
La transformación del polvo crudo en clínker es un proceso donde ocurren cambios físico-químicos. En general, el proceso de fabricación de cemento implica las siguientes reacciones, que se efectúan dentro de la unidad de calcinación. El secado implica la evaporación de la humedad de la materia prima a una temperatura de 110° C. La deshidratación se da a temperaturas mayores de 450° C, y significa la pérdida del agua químicamente unida a compuestos tales como algunas arcillas y agregados. A los 900° C la caliza se descompone en cal viva (CaO) y dióxido de carbono (CO2). Esta cal está lista para reaccionar y debe ser tratada rápidamente a la zona de clinkerización. CaCO3(s) --------- CaO(s) + CO2(g) Los óxidos de fierro comienzan a reaccionar con la cal y la alúmina, para formar ferroaluminato tetracálcico líquido a la temperatura de 1300°C, a la que se disuelven los minerales, incrementando la reacción entre ellos. A los 1338° C los materiales disueltos en el ferroaluminato tetracálcico (C 4 AF) reaccionan, formando todo el silicato dicálcico (C 2S). 2CaO(s) + SiO2(s) --------- Ca2SiO4(s)
El aluminato tricálcico (C 3 A) se termina de formar a los 1400° C. La cal que se encuentra en exceso reacciona con parte del silicato dicálcico (C 2S) para formar silicato tricálcico (C 3 A). CaO(s) + Ca2SiO4(s) -------- Ca3SiO5(s) Tanto el Ca2SiO4 como el Ca3SiO5 son componentes importantes del cemento como lo son los análogos del aluminio que se forman a partir del contenido de aluminio de las arcillas. CaO(s) + Al2O3(s) -------- CaAl2O4(s) 2CaO(s) + CaAl2O4(s) -------- Ca3 Al2O6(s)
El precalentador aumenta la capacidad de la Unidad, ahorra energía y ahora que cuidamos el medio ambiente, reduce mucho el dióxido de carbono que sale a la atmósfera. La temperatura de calcinación es de 1450° C. Ese calor se debe mantener parejo en la zona de calcinación del horno para que se realicen las reacciones químicas. El polvo calcinado y convertido en clínker pasa al enfriador, donde llega con una temperatura aproximada de 1000° C. En el enfriador al clínker se le inyecta mucho aire a presión que lo enfría hasta los 40° C. Pierde calor con rapidez porque está formado de nódulos o bolitas de poco volumen y de polvo. Si hubiera piedras, al romperse estarían rojas por dentro todavía. Parte del aire que se calienta al contacto con el polvo se aprovecha para facilitar la quema del combustóleo, el que ya tiene poca temperatura se va a la atmósfera a través de un colector de residuos. X.
Almacenamiento y embarque
De los silos que almacenan los diferentes tipos de cemento o mortero parten unos ductos para sacar el producto y llevarlo, en uno de los casos, hacia la ensacadora; en otro hacia el terminal de carga para la entrega a granel El transporte se realiza generalmente por carretera, por medio de camiones y de trailer. La plataformas de estos vehículos reciben la carga de bultos mediante estibadoras automáticas.
El cemento a granel se distribuye en trailer equipados de contenedores especiales que se presurizan para descargar el cemento, o bien, se envía por ferrocarril desde la planta.
9. DIAGRAMA DEL FLUJO DEL PROCESO DE FABRICACIÓN DEL CEMENTO
10. USOS Y APLICACIONES La producción de cemento y sus aplicaciones tiene, dentro del sector de minerales no metálicos, el vínculo más estrecho con la actividad edificadora, ya que sus productos están enteramente dirigidos a las diferentes etapas de la construcción; tanto a vivienda, como a infraestructura. Esta fuerte relación con la actividad constructora hace de la cadena, y en especial del sector productor de cemento, un sector estratégico para la industria. El cemento exhibe su mayor utilidad al ser transformado en concreto y mortero. El primero surge básicamente de la combinación de cemento, gravilla, arena y agua; mientras que el segundo resulta de mezclar cemento, arena y agua. Los concretos sirven como elementos estructurales en la construcción, mientras que los morteros sirven como materiales de pega en mampostería (paredes). El productor de concreto está íntimamente vinculado con la industria del cemento, dado que éste constituye su principal materia prima.
11. IMPACTO AMBIENTAL DE LA INDUSTRIA DEL CEMENTO La industria del cemento tiene un impacto ambiental negativo importante para la salud, en función de su localización con relación a centros poblados. La industria del cemento incluye las instalaciones con hornos que emplean el proceso húmedo o seco para producir cemento de piedra caliza, y las que emplean agregado liviano para producirlo a partir de esquisto o pizarra. Se utilizan hornos giratorios que elevan los materiales a temperaturas de 1400 °C. Las materias primas principales son piedra caliza, arena de sílice, arcilla, esquisto, marga y óxidos de tiza. Se agrega sílice, aluminio y hierro en forma de arena, arcilla, bauxita, esquisto, mineral de hierro y escoria de alto horno. Se introduce yeso durante la fase final del proceso. La tecnología de hornos de cemento se emplea en todo el mundo. Usualmente, las plantas de cemento se ubican cerca de las canteras de piedra caliza a fin de reducir los costos de transporte de materia prima.
Emisiones atmosféricas de una fábrica de cemento sin los controles adecuados sobre las emisiones atmosféricas.
Fábrica de cemento en Australia, no se aprecian emisiones atmosféricas dañinas. IMPACTOS AMBIENTALES POTENCIALES Las plantas de cemento pueden tener impactos ambientales positivos en lo que se relaciona con el manejo de los desechos, la tecnología y el proceso son muy apropiados para la reutilización o destrucción de una variedad de materiales residuales, incluyendo algunos desperdicios peligrosos. Asimismo, el polvo del horno que no se puede reciclar en la planta sirve para tratar los suelos, neutralizar los efluentes ácidos de las minas, estabilizar los desechos peligrosos o como relleno para el asfalto. Los impactos ambientales negativos de las operaciones de cemento ocurren en las siguientes áreas del proceso: manejo y almacenamiento de los materiales (partículas), molienda (partículas), y emisiones durante el enfriamiento del horno y la escoria (partículas o "polvo del horno", gases de combustión que contienen monóxido (CO) y dióxido de carbono (CO2), hidrocarburos, aldehídos, cetonas, y óxidos de azufre y nitrógeno). Los contaminantes hídricos se encuentran en los derrames del material de alimentación del horno (alto pH, sólidos suspendidos, sólidos disueltos, principalmente potasio y sulfato), y el agua de enfriamiento del proceso (calor residual). El escurrimiento y el líquido lixiviado de las áreas de almacenamiento de los materiales y de eliminación de los desechos puede ser una fuente de contaminantes para las aguas superficiales y freáticas. El polvo, especialmente la sílice libre, constituye un riesgo importante para la salud de los empleados de la planta cuya exposición provoca la silicosis. Algunos de los impactos mencionados pueden ser evitados completamente, o atenuados más exitosamente, si se escoge el sitio de la planta con cuidado.
TEMAS ESPECIALES Emisiones de partículas a la atmósfera La fabricación de cemento incluye el transporte de materiales polvorientos o pulverizados desde la cantera de piedra caliza, hasta el embarque del producto terminado para envío. Las partículas son la causa más importante del impacto ambiental negativo. Los precipitadores electrostáticos, o los filtros de bolsa, constituyen un requerimiento rutinario para controlar las emisiones de partículas de los hornos. El control del polvo que resulta del transporte de los materiales es uno de los desafíos más difíciles; las bandas transportadoras, pilas de acopio, y caminos de la planta, pueden ser causas más importantes de degradación de la calidad del aire, que las emisiones del molino y el horno. Se deben emplear recolectores mecánicos de polvo donde sea práctico, por ejemplo, en los trituradores, transportadores y el sistema de carga. En la mayoría de los casos, el polvo recolectado puede ser reciclado, reduciendo el costo y disminuyendo la producción de desechos sólidos. Se puede mantener limpios los camiones de la planta con aspiradoras y/o rociadores, a fin de eliminar el polvo atmosférico causado por el tráfico y el viento. Deben ser cubiertas las pilas de acopio tanto como sea posible. Los camiones que transportan materiales a la planta y fuera de ésta deben tener carpas y límites de velocidad.
Descargas de desechos líquidos En las plantas del proceso "seco", se alimentan al horno las materias primas secas. El único efluente es el agua de enfriamiento, y ésta puede ser eliminada con torres de enfriamiento o piscinas. En el proceso "Húmedo", se alimentan las materias primas al horno en forma de una lechada. En algunos casos, las plantas pueden lixiviar el polvo del horno que se ha recolectado, a fin de eliminar el álcali soluble antes de volver a alimentarlo al horno. En estas plantas, el rebosamiento del clarificador del proceso de lixiviación constituye la fuente mas severa de contaminación hídrica; requiere neutralización (posiblemente mediante carbonicen) antes de descargarlo.
Uso de los hornos de cemento para reciclar o eliminar los desechos Los desechos de aceite, solventes, residuos de pintura y otros desperdicios inflamables, han sido utilizados como combustibles suplementarios para los hornos de cemento. Esta práctica comenzó en los Estados Unidos en 1979, para conservar energía y reducir los costos de combustible, y ha sido satisfactorio en términos, tanto de la calidad del producto, como el impacto ambiental. Además, algunos desechos sólidos pueden ser utilizados como combustibles, tal como las llantas gastadas. Los requerimientos de materia prima pueden ser satisfechos, parcialmente, con los desperdicios (rutinariamente usados) de otras industrias: yeso de las plantas de ácido fosfórico, piritas tostadas de la producción de ácido sulfúrico, escoria de los altos hornos , y ceniza de las plantas termoeléctricas acarbón.
La alta temperatura de la llama y la naturaleza del producto hacen que los hornos de cemento sean atractivos para destruir una variedad de materiales orgánicos peligrosos. Manejados correctamente, los hornos constituyen una alternativa mucho menos costosa que los incineradores de desechos. Las pruebas realizados por la Agencia de Protección Ambiental de los EE.UU. y otros, han demostrado que la destrucción de los compuestos orgánicos, incluyendo PCB y los pesticidas organocloruros y órgano fósforos, iguala o supera los resultados logrados por los incineradores de desperdicios peligrosos que operan a temperaturas más bajas. Muchos compuestos metálicos tóxicos pueden ser quemados en los hornos de cemento en cantidades que sean suficientemente pequeñas, y que no afecten negativamente la calidad del producto, ni la seguridad, porque se vinculan a la escoria y llegan a formar parte del producto. El plomo, sin embargo, requiere atención especial; hasta la mitad de la cantidad introducida sale del horno y se precipita con el polvo del horno. El reciclaje del polvo aumenta la concentración del plomo hasta el punto en que éste, también, se vincula a la escoria, pero una cantidad pequeña (0.2 a 1.0 por ciento) se escapa con los gases de la chimenea. Talium se emite con el humo del horno, es decir, no se liga a los sólidos. Los estudios del comportamiento del mercurio, hasta la década de los 90, han sido inconcluyentes.
12. BIBLIOGRAFIA
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1948) Libro de Consulta para Evaluación Ambiental (Volumen I; II y III). Trabajos Técnicos del Departamento de Medio Ambiente del Banco Mundial
