FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA
NO METALICOS
Tema
Docente
: ANTEPROYECTO CEMENTO CON CENIZAS VOLANTES Y PUZOLANA
: ING. ZEGARRA PANCA PAULINO
Apellidos y Nombres Carpio Chávez Orializ Galdós Centty Ursula Flores Larico Christian
AREQUIPA- 2017
Turno B B B
ANTEPROYECTO: CEMENTOS CON CENIZAS VOLANTES OBJETIVO:
Mejorar la calidad del cemento convencional utilizando como aditivo cenizas volantes y puzolana.
INTRODUCCION: La mayoría de estudios encontrados nos habla sobre las características del concreto con adición adici ón de las cenizas a la pasta de concreto siempre elaborado con cemento tipo IP. En esta ocasión, se busca conocer información sobre las propiedades de las mezclas de concreto con adiciones de cenizas volantes y se desarrolló un trabajo experimental orientado a relacionar entre si concretos elaborados con cementos TIPO IP Y TIPO V, como variables, y diferentes porcentajes de la adición de cenizas volantes de la central hidroeléctrica de ILO que cumplieron previamente los requisitos normalizados en cuanto a su actividad química. Todo el procedimiento se realizó en la ciudad de Arequipa empleando agregados y agua de la zona, en los laboratorios de SUPERMIX S.A. ya que nos brindaron el uso de sus laboratorios y materiales para las diferentes pruebas también el Laboratorio de la Universidad Católica para complementar los ensayos. Posteriormente se confecciono concretos de diferentes resistencias desde F’c =
210, 280, 350 y 420 kgf/cm2 para la realización de ensayos físicos y mecánicos. Uno de los factores a considerar para usar dichas resistencias fue por el uso comercial y por sus altas resistencias (dado que en la ciudad de Arequipa el 80% de concretos producidos anualmente son de resistencia Fc’= 210 kgf/cm2 y Fc’= 280 kgf/cm2) por en de las cantidades de cemento a emplearse en las mezclas se pueden optimizar. Usando un cemento con adición de cenizas volantes. Finalmente, al concluir los 56 días en los ensayos de resistencia a la compresión los diseños aumentan su resistencia a compresión en un promedio de 11% con un porcentaje de sustitución de cenizas que oscila entre el 10% y el 20%.
ANTEPROYECTO: CEMENTOS CON CENIZAS VOLANTES OBJETIVO:
Mejorar la calidad del cemento convencional utilizando como aditivo cenizas volantes y puzolana.
INTRODUCCION: La mayoría de estudios encontrados nos habla sobre las características del concreto con adición adici ón de las cenizas a la pasta de concreto siempre elaborado con cemento tipo IP. En esta ocasión, se busca conocer información sobre las propiedades de las mezclas de concreto con adiciones de cenizas volantes y se desarrolló un trabajo experimental orientado a relacionar entre si concretos elaborados con cementos TIPO IP Y TIPO V, como variables, y diferentes porcentajes de la adición de cenizas volantes de la central hidroeléctrica de ILO que cumplieron previamente los requisitos normalizados en cuanto a su actividad química. Todo el procedimiento se realizó en la ciudad de Arequipa empleando agregados y agua de la zona, en los laboratorios de SUPERMIX S.A. ya que nos brindaron el uso de sus laboratorios y materiales para las diferentes pruebas también el Laboratorio de la Universidad Católica para complementar los ensayos. Posteriormente se confecciono concretos de diferentes resistencias desde F’c =
210, 280, 350 y 420 kgf/cm2 para la realización de ensayos físicos y mecánicos. Uno de los factores a considerar para usar dichas resistencias fue por el uso comercial y por sus altas resistencias (dado que en la ciudad de Arequipa el 80% de concretos producidos anualmente son de resistencia Fc’= 210 kgf/cm2 y Fc’= 280 kgf/cm2) por en de las cantidades de cemento a emplearse en las mezclas se pueden optimizar. Usando un cemento con adición de cenizas volantes. Finalmente, al concluir los 56 días en los ensayos de resistencia a la compresión los diseños aumentan su resistencia a compresión en un promedio de 11% con un porcentaje de sustitución de cenizas que oscila entre el 10% y el 20%.
MARCO TEORICO: 1. Ceniza volante. 1.1 Definición de ceniza volante. Existen varias definiciones para la Ceniza Volante o también conocida como fly ash, entre ellas tenemos. Son el resultado de los residuos finamente divididos que resulta de la combustión del suelo o carbón en polvo y que se transporta desde la cámara de combustión a través de la caldera por los gases de combustión para el sistema de eliminación de partículas (American Concrete Institute (ACI 116R) año 2005, pag.29.) Las cenizas volantes es el residuo fino que resulta r esulta de la combustión de suelo o el carbón en polvo y que es transportado por los gases de combustión¨( American Society for Testing Materials (ASTM-C-618) año 2001, pag.01.) Un polvo fino con partículas principalmente esféricas, cristalinas, originadas por la combustión del carbón pulverizado, con o sin materiales de combustión, que tiene propiedades puzolánicas y que está compuesto fundamentalmente de SiO2 y Al2O3 (oxido de silicio y oxido de aluminio)” Norma española (UNE -EN 450-1:2008) año 2011, pag.01.) ¨Las cenizas volantes son los residuos sólidos que se obtienen por precipitación electrostática o por captación mecánica de los polvos que acompañan a los gases de combustión de los quemadores de centrales termoeléctricas alimentadas por carbones pulverizados¨ (Instrucción Española del Hormigón Estructural (EHE) año 2008, pag.82.)
2. Origen de la ceniza volante. La ceniza volante se obtiene de las centrales termoeléctricas, Estas utilizan como material para su funcionamiento el Carbón como combustible, originando dos tipos de residuos: las Cenizas de hogar o Escoria y las cenizas volantes, cuya principal diferencia es el tamaño de las partí culas. Las Cenizas de hogar o Escoria caen al fondo por gravedad, se suelen retirar por arrastre con la utilización de agua hasta los silos de almacenamiento. Las cenizas volantes son las partículas más finas, se obtienen por precipitación mecánica o electrostática del polvo en suspensión que se encuentra en los gases procedentes de la combustión. Las Cenizas Volantes constituyen típicamente el 80% del total de las cenizas, correspondiendo un 20% restante a las cenizas de hogar o escoria. Según datos estadísticos, en el mundo se producen aproximadamente 600 millones de toneladas al año de cenizas de carbón, de las centrales termoeléctricas, el total en peso de las cenizas volantes producidas es aproximadamente del 30% de la masa de carbón consumida.
La materia prima para la obtención de la Ceniza Volante es el carbón, este producto pasa por varias etapas antes de la obtención de la CENIZA VOLANTE. El carbón se pulveriza mediante molinos de trituración, luego con la utilización o no de combustibles secundarios se coloca dentro de un horno, mediante una corriente de aire caliente a alta velocidad, y estando en suspensión se cocina a una temperatura de 1500 +/- 200 grados centígrados, El mismo que se encuentra por encima del punto de fusión de la mayoría de los minerales. Durante este proceso las partículas inorgánicas no sufren una combustión completa, y se producen partículas de ceniza. Las reacciones que se originan dependen no solamente de la temperatura del horno en el momento de la combustión, sino también del tipo de carbón, de la finura de molino y del tiempo de permanencia en el horno, todo el proceso se puede observar en la fig 2.1 el proceso de obtención de las cenizas volantes. 3. Actividad puzolanica: Una puzolana es un material, natural o artificial que contiene en su mayoría silicio y o silicio y aluminio, el conjunto de estos varía entre 70 y 80%, lo que les da un carácter ácido y en consecuencia una afinidad por la cal (tendencia a combinarse con la cal en presencia del agua a temperatura ambiente), además de ser un material de alta reactividad. La puzolana finamente molida y en presencia de humedad reacciona con el hidróxido de calcio dando lugar a una nueva formación de compuestos estables, poco solubles en el agua y con características cementantes, capaces de desarrollar resistencia por endurecimiento hidráulico. Sin embargo, la puzolana por si sola tiene un valor cementante nulo o muy pequeño. Todas las puzolanas naturales, (calcinadas o no) y algunos subproductos industriales tales como las cenizas volantes de bajo contenido en calcio se adaptan a la definición de puzolana, lo contrario de algunas adiciones como las cenizas volantes SILICOCALCICAS y escorias que tienen un alto contenido de óxido de calcio entre 10% a 40%,si dicho calcio tiene una reacción puzolánica, el material llega a tener propiedades cementantes por sí mismo y no cabría en el concepto de puzolana dado sino sería un material “puzolánico y cementante”.
Las cenizas volantes se encuentran en la siguiente clasificación de las puzolanas fig. 2.2. Puzolanas artificiales. Se sabe que las cenizas volantes producidas por las centrales térmicas presentan numerosas similitudes con las puzolanas de origen volcánico, tales como: analogías físicas, químicas y a veces granulométricas, estas cenizas volantes vienen a ser una especie de puzolanas artificiales.
3.1. Clasificación de las cenizas volantes: Basándose en su composición química, que principalmente depende del tipo de carbón utilizado, las cenizas volantes se dividen en dos tipos, y su diferencia principal es el contenido de calcio:
Clase F: Llamada también SILICOALUMINOSAS, contiene normalmente menos del 10% (óxido de calcio), que proviene de la combustión de antracita y carbones bituminosos. Clase C: Llamada también SILICOCALCICAS, contiene usualmente entre 15 a 3 5%de CaO (oxido de calcio) a veces más del 40% y proviene primordialmente de la combustión de lignito y carbones subbituminosos.
En esta investigación se usó la cenizas de Clase F, porque tienen propiedades puzolánicas muchas veces mayores que muchas puzolanas naturales y artificiales, estas cenizas volantes son capaces de reaccionar con el hidróxido cálcico (Ca(OH)2), liberado en la reacción de hidratación de cemento portland, mejorando las características del concreto. 4. Concreto con el uso de la ceniza volante: 4.1. Concreto con ceniza volante: Existen distintos tipos de carbón que son utilizados y ello conlleva a diferentes calidades de cenizas volantes, algunas de estas debido a sus propiedades puzolánicas mediante ensayos han demostrado ser útiles en la fabricación de concreto. Estas influyen en las propiedades del concreto en estado fresco y endurecido, como la cantidad de agua a utilizarse en la mezcla, el tiempo de fraguado, resistencia a la compresión entre otras. La ceniza volante tiene una menor gravedad que el cemento. Por lo tanto, cuando las cenizas volantes se utilizan para reemplazar una parte de cemento en una unidad de volumen de concreto la cantidad de pasta aumentara. En muchos casos, las cenizas volantes pueden ser usadas como una adición o como un material de sustitución. Esto dará lugar a un mayor aumento en volumen de pasta para un contenido de agua dado. Por lo general, este aumento de volumen de pasta produce un concreto con mayor plasticidad y una mejor cohesión. 2.1.2.2. Historia del concreto con ceniza volante. Desde 1966 ya se cuenta con datos precisos sobre las cantidades de ceniza producida y utilizada, en los Estados Unidos, estos han sido recogidos por el Instituto Eléctrico Edison y, desde 1973, por la Asociación Americana de cenizas de carbón (anteriormente la Asociación Nacional de Ceniza). Los resultados de estas encuestas, junto con algunos datos anteriores mostraron que la cantidad de cenizas volantes recogidas anualmente en los Estados Unidos aumentó de manera constante de 6 millones de toneladas métricas en 1950 a 37 millones de toneladas métricas en 1974, en Estados Unidos la producción anual de cemento portland aumentó de 38 a 61 millones de toneladas métricas de 1950 a 1975; en el año 1984 la capacidad anual de producción de Clinker de cemento fue de alrededor de 80 millones de toneladas métricas. La recolección de cenizas volantes aumento rápidamente durante la década de 1980 cerca de 70 millones de toneladas métricas al año para 1985, esto se debió principalmente a la construcción de plantas adicionales que quemaban carbón. Más de 300 millones de toneladas métricas de cenizas volantes se han acumulado como basura sólida, sólo algo de 3 millones de toneladas métricas ó 6% de lo que fue recolectado, fue utilizado
por las industrias del cemento y del concreto en 1979, pero esto aumento de forma pronunciada en 1984 a 5 millones de toneladas métricas. Se estima que un 70% a un 90% de esta cantidad fue utilizado por los productores de concreto premezclado. Menos de 1% de las cenizas volantes recogidas en 1979 se utilizó en la producción de cemento mixto ASTM Tipo IP. La utilización total de ceniza volante, incluyendo otros usos, como la estabilización del suelo y el llenado de asfalto, aumentó de 8% en 1966 a 13% en 1976 y a 20% en 1984. En el año de 1987 al 1993 el uso de cenizas volantes en el mundo fue del 16%, hay países donde su uso es elevado pero no en todos, por ejemplo en Inglaterra se empleó 57% y sus usos entre otros fue como reemplazo de cemento, material de relleno, bloques de concreto, en F rancia se usó 60.1%, empleándolas entre otros, como adición al cemento, reemplazo de cemento, estabilización de vías y material de relleno, en Alemania con 57.5% como remplazo del cemento, pero en Estados Unidos se usó el 22% como remplazo de cemento y adición al cemento. La razón del bajo nivel de utilización de cenizas volantes en el concreto en los Estados Unidos se han discutido en términos de variabilidad de cenizas volantes, en la mayoría de países los inadecuados métodos de prueba, especificaciones deficientes, ceniza de calidad variable, podrían influir en el bajo uso de las cenizas volantes. 4.2. Ventajas y desventajas de la utilización de la ceniza volante en el concreto: A. VENTAJAS: Incrementa la resistencia a la compresión del concreto. Presentan una cantidad menor de volúmenes de agua exudada. Mayor durabilidad en pruebas del ASR (ataque de álcali - sílice). Menor calor de hidratación evitando contracciones y figuraciones que afectan la calidad del concreto. Menor contracción por secado. La sustitución de ceniza reduce los costos del m3 de concreto. Ya que las cenizas volantes son un desecho de las fábricas que utilizan carbón y las centrales termoeléctricas, al usar en la manufactura del concreto es un apoyo para el medio ambiente ya que disminuye el espacio en los vertederos y ayuda a disminuir la contaminación.
B. DESVENTAJAS. Con cenizas volantes no bien quemadas, disminuye su actividad puzolánica por lo tanto disminuye el índice de resistencia. Las cenizas volantes son un desecho de los hornos por lo que no se controla la calidad de las mismas eso da variabilidad en el diseño de mezcla, en el Perú. No se asegura un volumen de producción de cenizas volantes regular, en el Perú, como para poder usar de manera continua.
5. Aplicaciones de la ceniza volante alrededor del mundo. La ceniza volante de las centrales eléctricas que queman carbón, se convirtieron fácilmente disponibles en la década de 1930. En los EE.UU., el estudio de la ceniza volante para su uso en el Concreto comenzó alrededor de ese tiempo. En 1937, se publicaron los resultados de la investigación sobre el concreto que contiene las cenizas volantes (Raymond E. Davis, Roy W. Carlson, J.W. Kelly, Harmer E. Davis, 1937). Este trabajo sirvió de base para las primeras especificaciones, métodos de prueba, y el uso de cenizas volantes. Inicialmente, las cenizas volantes se utilizaron como una masa o volumen de sustitución parcial de cemento, por lo general el componente manufacturado más caro del concreto. Como el uso de la ceniza volante aumenta, los investigadores reconocieron que la ceniza volante podría impartir propiedades beneficiosas para el concreto. En investigaciones posteriores estudiaron la reactividad de la ceniza volante con calcio y hidróxidos alcalinos en la pasta de cemento portland y la capacidad de la ceniza volante para actuar como medida preventiva contra las reacciones perjudiciales en álcali. La Investigación de (Dunstan 1976, y en 1980; Tikalsky, Carrasquillo, y Snow, 1992; Tikalsky y Carrasquillo 1993) ha demostrado que la ceniza volante a menudo mejora la resistencia del concreto al deterioro de sulfatos. La ceniza volante también aumenta la trabajabilidad del concreto fresco y reduce el pico de temperatura de hidratación del concreto en masa. Los aspectos beneficiosos de la ceniza volante fueron especialmente notables en la co nstrucción de grandes presas de concreto. Algunos proyectos importantes, incluyendo el Támesis presa en el Reino Unido, la presa superior Stillwater en los EE.UU. que se incorpora 30 a 75% de sustitución en masa de cemento con la ceniza volante para reducir la generación de calor y la disminución de la permeabilidad y las torres Petronas Localizadas en Kuala Lumpur, Malasia, las torres fueron completadas en 1998, se empleó un cemento adicionado con cenizas volantes llegando a una resistencia de 80 MPa a los 56 días,(concreto de alto desempeño), el concreto permitió núcleos verticales y columnas económicas y de tamaños razonables. En los EE.UU., una nueva generación de centrales térmicas de carbón fue construido durante los años 1960 y 1970, al menos parcialmente, en respuesta al aumento espectacular del precio del petróleo. Estas plantas de energía, utilizando molinos de carbón eficientes y tecnología de piroprocesamiento (el estado de la técnica), producen más ceniza volante con un menor contenido de carbón. Además, La ceniza volante que contienen altos niveles de óxido de calcio se hizo disponible debido a la utilización de fuentes de carbón de EE.UU. Al mismo tiempo que estas fuentes de carbón aumentaron, aumento la disponibilidad de la ceniza volante, una extensa investigación ha dado lugar a una mejor comprensión de las reacciones químicas que tienen lugar cuando la ceniza volante se utiliza en el concreto. Economía mejorada y tecnologías mejoradas (Material y basados en mecánica) han conducido a un mayor uso de la ceniza volante, principalmente en la industria del concreto premezclado. La ceniza volante se utiliza actualmente en concreto por muchas razones, incluyendo mejoras en la trabajabilidad en el concreto fresco, la reducción en el aumento de temperatura durante la hidratación inicial, una mejor resistencia a los sulfatos, la expansión reducida debido a la reacción álcali-sílice y las contribuciones a la durabilidad y resistencia del concreto.
5.1. Aplicaciones de la ceniza volante en el Perú. En 2006 se realizó el vaciado de concreto autocompactado con cenizas volantes por parte de la empresa UNICON en el siguiente proyecto: TAPÓN DE DECANTAMIENTO FASES 1 Y 2. Este producto se realizó a pedido de la empresa “Compañía Minera Antamina S.A.” en el “Centro Minero Antamina”. La construcción del Tapón Definitivo del “Decant Tunnel” fue ejecutado por un equipo
constituido por personal de las Empresas Golder, Cosapi y Antamina, quién lidero el proyecto. El objetivo principal fue el terminar la construcción del tapón y todos aquellos trabajos relacionados, en el interior de dicho túnel. El proyecto incluyo la instalación del sistema eléctrico para suministro de energía, sistemas de iluminación, ventilación y comunicación; el desvío y canalización de las aguas limpias y contaminadas que escurren en el interior deltúnel; preparación de la superficie existente para recibir el concreto del tapón; el mantenimiento y finalmente, la conservación del medio ambiente mediante un sistema de pozas decantadoras. El tapón fue de concreto armado con una longitud de 31 metros (353 m3) que se ejecutó en 4 etapas. En el mismo año se ha vaciado en el laboratorio Ancheta, Obras propias, donde se utilizó concreto con cenizas volantes para las distintas resistencias. Entre el año 2003 y 2004 la empresa MIXERCON, ha vaciado por todo un año concreto con cenizas volantes en el pavimento de la avenida Canadá en Lima- Perú, entre otras obras que realizo todo ese año ya que lo uso para toda clase de estructuras, la adición de cenizas al concreto se dio entre el 8% y 10% de cenizas, se dejó de usar las cenizas por su variabilidad en composición química, su variación de carbón.33 6. PRINCIPIOS BÁSICOS Y REQUERIMIENTOS DE LA CENIZA VOLANTE EN CONCRETOS. 6.1. Propiedades en estado fresco.
Trabajabilidad: Es la facilidad con la que pueden mezclarse los materiales y la mezcla resultante puede manejarse, transportarse, colocarse y compactarse sin perder la homogeneidad de la mezcla, es un método indirecto para medir la fluidez y consistencia del concreto se realiza por medio del ensayo del cono de Abrams. La ceniza volante típicamente tiene un peso específico menor que el cemento. Por lo tanto, cuando la ceniza volante se utiliza para sustituir una parte del cemento en una unidad de volumen de concreto, la cantidad de pasta se incrementará. En muchos casos, las cenizas volantes se pueden utilizar como una adición o como un reemplazo. Esto dará lugar a un mayor aumento en volumen de pasta para un contenido de agua dado. Por lo general, este aumento de volumen de pasta produce un concreto con mayor plasticidad y una mejor cohesión. Además, el aumento en el volumen de los finos de ceniza volante puede compensar agregado fino deficientes. Las cenizas volantes cambia el comportamiento del flujo de la pasta de cemento. La forma generalmente esférica de las partículas de ceniza volante normalmente permite que el agua en el concreto se reduzca sin afectar su trabajabilidad.
Exudación: Es la elevación de parte del agua de la mezcla hacia la superficie, debido generalmente a la sedimentación de los agregados y del cemento, esto inicia después que se coloca la mezcla en el encofrado y dura hasta que empieza el fraguado. La exudación normal pero debe evitarse su exceso cuidando la relación agua/cemento de la mezcla. El uso de cenizas volantes en las mezclas de concreto por lo general reduce la exudación, proporcionando una mayor superficie de partículas sólidas y que requieren un menor contenido de agua.
Segregación: Es la descomposición mecánica de la mezcla de concreto en estado fresco en sus partes constituyentes (cuando el agregado grueso se separa del mortero). La segregación da lugar a concretos menos durables y más débiles. La ceniza volante ayudan para que el concreto no presente segregación. Para las mezclas deficientes en los tamaños más pequeños de agregado fino o de bajo contenido en cemento, la adición de ceniza volante hará que el concreto o mortero se vuelva más cohesiva y menos propenso a la segregación y exudación. Además, la forma esférica de las partículas de ceniza volante sirve para aumentar la trabajabilidad y facilita el bombeo por la disminución de la fricción entre las partículas del concreto.
Tiempo de fraguado: Es la determinación del tiempo que pasa desde la adición del agua a la mezcla hasta que la mezcla pierde la viscosidad (fraguado inicial) donde la mezcla esta semidura y un poco hidratada, cuando la mezcla deja de deformarse con cargas relativamente pequeñas se vuelve rígida (tiempo de fragua final), el tiempo de fraguado nos da una idea de cuánto tiempo tenemos para disponible para mezclar, transportar, colocar, vibrar y apisonar el concreto, también el tiempo mínimo para transitar sobre ellos y para empezar a curar. Este ensayo se realizará con un penetrómetro. El uso de cenizas volantes puede extender el tiempo de fraguado, se encontró que la clase F cenizas volantes retrasa el inicio de hidratación. Las características de fraguado del concreto se ven influidos por la temperatura ambiente y la temperatura del concreto; cemento tipo, el contenido de finos, contenido de agua. Cuando estos factores se les dá la debida consideración en la dosificación mezcla de concreto. El efecto real de una ceniza volante dado en el tiempo de ajuste se puede determinar mediante el ensayo cuando se necesita una determinación precisa o por la observación cuando una determinación menos precisa es aceptable.
Temperatura: La temperatura influye en la calidad del concreto, en el tiempo de fraguado y resistencia del concreto, el concreto con temperatura Inicial alta, alcanzará posiblemente una resistencia superior a normal a tempranas edades y más baja de lo normal a edades tardías, su calidad final del concreto disminuirá. Pero cuando las temperaturas iniciales son bajas desarrolla su resistencia a más lentamente, y finalmente tendrá más resistencia y será de mayor calidad.
La temperatura de concreto está en función a la ubicación de donde se realice la mezcla, ya que este va depender de las temperaturas iniciales de sus componentes como el cemento, agua, agregado grueso y agregado fino, obteniendo con el mezclado de sus componentes la temperatura final del concreto. La temperatura con adición de cenizas volantes debería bajar a comparación de la temperatura ambiente. La temperatura de concreto está en función a la ubicación de donde se realice la mezcla, ya que este va depender de las temperaturas iniciales de sus componentes
Peso unitario. Este ensayo nos ayuda a conocer la densidad del concreto en estado fresco, el rendimiento de la mezcla y el contenido de aire en la mezcla de concreto. Según norma ASTM C- 138. La densidad del concreto varía dependiendo de la fineza de las cenizas volantes, cantidad y la densidad del agregado, la cantidad de aire atrapado o intencionalmente incluido, y las cantidades de agua y cemento. Por otro lado, el tamaño máximo del agregado influye en las cantidades de agua y cemento. Al reducirse la cantidad de pasta (aumentándose la cantidad de agregado), se aumenta la densidad. Con las cenizas volantes el concreto aumenta su volumen de lechada por unidad de peso con menor cantidad de agua, esto mejora la densidad y aumenta la cohesión en la mezcla de concreto con menor exudación.
OTRAS ALTERNATIVAS DE OBTENER EL ADITIVO DE CENIZAS: Según un estudio publicado: Con ceniza volcánica crearán nuevo material que reemplace al cemento La ceniza de los volcanes: Misti, Chachani y Ubinas, ubicados en Arequipa y Moquegua, están siendo analizadas pues son la materia prima de un innovador proyecto de investigación que busca obtener un nuevo material de construcción que reemplace al cemento portland. Esta pesquisa está a cargo de la Universidad Católica San Pablo, mediante su Instituto de Energía y Medio Ambiente (IEM-UCSP), el Instituto Geológico, Minero y Metalúrgico (INGEMMET) y la Universidad Carlos III de Madrid, España. “En Perú hay pocos estudios relacionados a la ceniza volcánica. Con nuestra investigación
buscamos establecer una línea base en el estudio de este material y su aplicación en la industria de la construcción mediante la fabricación de geopolímeros, que representa el uso de tecnologías limpias”, explicó la coordinadora del proyecto y docente de la UCSP, Mg. Pamela Tupayachy Quispe. El proyecto se lleva a cabo gracias a la unión de la Academia y el Estado, pues el proyecto ganó uno de los concursos de Concytec (Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología), lo que ha hecho posible su financiamiento. En el concurso se presentaron cerca de 300 propuestas de la que se eligieron 9 proyectos, siendo este el único ganador de Arequipa. Consta de tres fases. Primero el estudio de las características y propiedades físicas y químicas de la ceniza volcánica, la cual ya se inició. La segunda y tercera parte corresponden a los estudios para encontrar la composición adecuada del nuevo material, y el análisis de sus propiedades mecánicas y micro estructurales. “Uno de nuestros objetivos es encontrar un sustituto para el cemento portland, pues este es
altamente contaminante en su fabricación. Por cada tonelada producida se genera la misma cantidad de CO2 (Dióxido de Carbono), gas que genera el efecto invernadero”, comentó el Mg. Jonathan Almirón Baca, docente de la UCSP y co-investigador del proyecto.
Con este trabajo se tendría una alternativa económica-ambiental de bajo costo pues su materia prima es un material reciclado. También podría generar una nueva fuente de trabajo, en especial para los pobladores de localidades aledañas a los volcanes antes mencionados y se abre un nuevo campo de investigación tanto en Perú como a nivel internacional.
El equipo de investigación también lo integran como co-investigadores: el licenciado en Química Fredy Apaza Choquehuaya, miembro del INGEMMET, la doctora en Energía Nuclear Asunción Bautista Arija y el doctor en Ingeniería de Minas, Francisco Javier Velasco López. Ambos son parte de la Universidad Carlos III de Madrid. Recientemente la UCSP recibió la visita de la doctora en Ciencia e Ingeniería de Materiales por la Universidad Carlos III, Evelyn Carol Paredes Cárdenas para dar inicio a los estudios de la ceniza volcánica. Tanto ella como el ingeniero de Materiales, Rossibel Churata Añasco forman parte del personal de apoyo del proyecto y la Bach. Maricielo Quillahuaman Llerena, integrante del IEMUCSP, es la coordinadora administrativa.
Aquella ceniza que está siendo expulsada por el volcán Sabancaya y que causa daño a poblaciones asentadas cerca al cráter (20 kilómetros de distancia), también puede ser utilizada para elaborar materiales útiles de construcción e incluso saludables para el medio ambiente. Gracias a una investigación que llevan a cabo estudiantes universitarios arequipeños y españoles, se ha logrado determinar que las cenizas volcánicas pueden sustituir perfectamente al cemento portland, que tanta contaminación genera en su producción. El cemento es el material más usado en la industria de la construcción, cuya producción genera gran polución de gases de efecto invernadero (CO2). Por ello, los estudiantes de la Universidad Católica San Pablo (UCSP), la Universidad Carlos III de Madrid, España, y el Instituto Geológico Minero y Metalúrgico (Ingemmet) se han unido para la realizar una investigación conjunta y demostrar que el uso de las cenizas volcánicas puede ser una buena opción para tener un producto que genere un menor impacto al ambiente. Los estudios señalan que los volcanes activos del Perú cuentan con grandes depósitos de ceniza. En los últimos procesos eruptivos se produjeron millones de toneladas de ceniza provocando serios daños en la salud y la economía de las poblaciones cercanas a los volcanes, explica la coordinadora del proyecto, Pamela Tupayachi Quispe. Para el trabajo los investigadores han tenido que ir a recoger muestras de ceniza tanto de los volcanes de Arequipa como de Moquegua, y la sometieron a un proceso para caracterizar y evaluar el comportamiento mecánico de geopolímeros obtenidos a partir de la activación alcalina de dichas cenizas y luego elaborar el producto. Rossybel Churata Añasco explica que en el aspecto ambiental se ha logrado determinar el aprovechamiento de las cenizas volcánicas para este producto y además contribuir con la eliminación de esta sustancia nociva para la salud y lograr el bienestar de las poblaciones cercanas a los volcanes. Asimismo, brindar una alternativa a la producción de materiales de construcción, que generan un impacto negativo debido a la producción de dióxido de carbono (CO2). Agrega que en el aspecto económico, el uso de la ceniza volcánica como materia prima en la producción de geopolímeros para la industria de la construcción, podría ser una alternativa económica-ambiental de bajo costo y accesible para la sociedad. Si se logra masificar su uso, las poblaciones asentadas por los alrededores de los volcanes podrían acceder a fuentes de trabajo mediante la producción de materiales de construcción y mejorar la calidad de vida con un producto ecológico. La industria del cemento produce toneladas de residuos, desechos y gases tóxicos que perjudican el medio ambiente, es responsable del 6 a 7 % de la emisión de CO2 a nivel mundial y al elaborar cemento se produce una alta contaminación, además del polvo que ocasiona. Para la producción de cemento Portland se requiere de altas temperaturas (1500 °C), por lo que su costo de producción y energético es elevado. En América Latina y el Caribe la producción de cemento, en los últimos años, alcanzó cerca de 180 mil toneladas por año. La producción en el Perú pasó de 4,03% en el 2011 a 15,14% solo en 2013. “El sector de la construcción está muy interesado en el desarrollo de nuevos materiales
alternativos al cemento, que permitan reducir estos gastos energéticos y la emisión de contaminantes, ya que estas últimas producen severas consecuencias ambientales como el
calentamiento global y el cambio climático, impactando en la estabilidad de nuestro planeta. Esta investigación pretende buscar una alternativa en la producción de concreto utilizando la tecnología de geopolímeros con la finalidad de cuidar el medio ambiente y generar un desarrollo sostenible”, explica la investigadora.
En el sur del Perú existen 12 volcanes que presentan actividad volcánica reciente, producto del cual emiten grandes cantidades de ceniza en procesos eruptivos, esta sustancia es perjudicial para la salud humana y representa un riesgo para actividades como la agricultura, ganadería e infraestructura de las poblaciones cercanas, debido a sus efectos nocivos. En el país existen pocos estudios de la ceniza volcánica y esta investigación pretende establecer una línea base en el estudio de la ceniza y su aplicación como materia prima en la obtención de geopolímeros, lo que dará un valor agregado a las cenizas volcánicas en la industria de la construcción mediante la fabricación de geopolímeros, que representa el uso de tecnologías limpias. No se han reportado estudios acerca del uso de cenizas volcánicas como fuente para obtener geopolímeros. Sin embargo, el Ingemmet en el 2015, estimó los volúmenes mínimos de ceniza volcánica emitidos hasta los meses de abril, junio y agosto de 2014 por el volcán Ubinas, siendo los valores de 800 mil, un millón 400 mil y 2 millones de metros cúbicos respectivamente. Esta ceniza está constituida por minerales magmáticos (plagioclasas y piroxenos), vidrio, fragmentos líticos oxidados, e hidrotermales, agregados de cristales y óxidos de hierro. El área más afectada por caída de ceniza se encuentra dentro de un radio de 20 km del volcán. El proyecto ha conseguido el financiamiento del Fondo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico de 400 mil soles para llevar a cabo la investigación, mediante la cual esperan entregar un producto alternativo que beneficiará al mercado de la construcción y especialmente al medio ambiente, dando utilidad a un desecho que por el momento solo causa problemas a la población.
Macroscópico
Microscópico
LOCALIZACION, DISTRIBUCION Y TAMAÑO DE PLANTA:
1. LOCALIZACION: El proceso de ubicación del lugar adecuado para instalar una planta industrial requiere el análisis de diversos factores, y desde los puntos de vista económico, social, tecnológico y del mercado entre otros. En general, las decisiones de localización podrían catalogarse de infrecuentes; de hecho, algunas empresas sólo la toman una vez en su historia. Este suele ser el caso de las empresas pequeñas de ámbito local, pequeños comercios o tiendas, bares o restaurantes, etc. Para otras, en cambio, es mucho más habitual; por ejemplo: bancos, cadenas de tiendas o restaurantes, empresas hoteleras, etc. Vemos, pues, que la decisión de localización no sólo afecta a empresas de nueva creación, sino también a las que ya están en funcionamiento. La frecuencia con que se presenta este tipo de problemas depende de varios factores; entre ellos, podemos citar el tipo de instalaciones (es mucho más común la apertura de tiendas o puntos de venta que la de fábricas) o el tipo de empresa (una firma de servicios suele necesitar más instalaciones que una industrial). En la actualidad, la mayor intensidad con que se vienen produciendo los cambios en el entorno económico está acrecentando la asiduidad con la que las empresas se plantean cuestiones relacionadas con la localización de sus instalaciones. Entre las diversas causas que originan problemas ligados a la localización, podríamos citar:
Un mercado en expansión, que requerirá añadir nueva capacidad, la cual habrá que localizar, bien ampliando las instalaciones ya existentes en un emplazamiento determinado, bien creando una nueva en algún otro sitio. La introducción de nuevos productos o servicios, que conlleva una problemática análoga. Una contracción de la demanda, que puede requerir el cierre de instalaciones y/o la reubicación de las operaciones. Otro tanto sucede cuando se producen cambios en la localización de la demanda. El agotamiento de las fuentes de abastecimiento de materias primas también puede ser causa de la reubicación de las operaciones. Este es el caso que se produce en empresas de extracción cuando, al cabo de los años, se agotan los yacimientos que se venían explotando. La obsolescencia de una planta de fabricación por el transcurso del tiempo o por la aparición de nuevas tecnologías, que se traduce a menudo en la creación de una nueva planta más moderna en algún otro lugar. La presión de la competencia, que, para aumentar el nivel de servicio ofrecido, puede llevar a la creación de más instalaciones o a la reubicación de algunas existentes. Cambios en otros recursos, como la mano de obra o los componentes subcontratados, o en las condiciones políticas o económicas de una región son otras posibles causas de reubicación.
Para la planta en mención se realizó la elección del lugar por el método de factores ponderados. La evaluación se realizó en base a los siguientes aspectos mostrados en la tabla siguiente: Factores
Materia Mercado Energia Prima
Agua
Materia Prima
0
1
0
0
1
0
1
3
9.67
1
0
1
1
1
1
6
19.35
0
0
0
1
1
3
9.68
1
1
1
1
7
22.58
1
1
1
6
19.35
1
0
2
6.45
1
2
6.45
2
6.45
31
100
Transporte Terreno
Mercado
1
Energia
1
0
Agua
1
1
1
Transporte
1
1
1
0
Terreno
0
0
1
0
0
Eliminacion Desechos
0
0
0
0
0
1
Servicios Construcción
0
0
0
0
0
1
Eliminacion Servicios Conteo Desechos Construccion
1 TOTAL
Este cuadro se realiza enfrentando factor con factor, los valores son: 1: cuando es más importante 0: cuando no lo es En el cuadro siguiente se muestra la tabla de decisión del lugar según los porcentajes de ponderación obtenidos en la tabla anterior:
Porcentaje (%)
localizacion majes Camana
1 4 5
2 2 3
3 5 4
4 3 3
5 4 5
6 5 5
7 3 3
8 total 4 348.3870968 4 387.0967742
Por lo tanto la localidad más favorecida es Camaná. El proyecto se realizaría aquí. Se adjunta el mapa de Arequipa y sus yacimientos.
TECNOLOGIA DE FABRICACION DEL CEMENTO
1. Procesos de fabricación del Clinker: Los métodos comerciales que se usan en la fabricación del Clinker de cemento Portland, una vez que el crudo ya está homogeneizado, son, principalmente, los tres siguientes: 1.- Proceso por vía húmeda. 2.- Proceso por vía seca. 3.-Proceso por vía semi - húmeda 3.- Proceso por vía semi-seca. Desde un punto de vista histórico, el proceso de fabricación del Clinker ha pasado por el cambio de la vía húmeda a la seca. La vía húmeda permitía un manejo y una homogeneización más fácil de las materias primas, especialmente en los casos en que están húmedas o son pegajosas o cuando exhibían grandes fluctuaciones en su composición química. Sin embargo, con los avances de la tecnología es posible preparar una mezcla homogénea de las materias primas usando la vía seca, es decir sin añadir a gua para preparar una papilla. En el proceso por vía húmeda (Figura 1.1) se prepara una papilla añadiendo agua a las materias primas finamente molidas, que a continuación se bombea a un horno rotatorio de gran longitud ( L/D = 30), en el cual tiene lugar todo el piroprocesamiento. Por su parte en el proceso por vía seca (Figura 1.2 ) se prepara una mezcla en seco de las materias primas finamente molidas, que se homogeneiza en silos mediante aireación y que a continuación se alimenta a un horno rotatorio de menor longitud que en el caso de la vía húmeda. ( L/D= 15). El calentamiento inicial del crudo en suspensión, hasta aproximadamente 800 ºC, se lleva a cabo en un intercambiador de calor mediante el CO2, que se desprende durante la calcinación de la caliza y los gases procedentes de la combustión del fuel, carbón, etc. (SISTEMA SP). Un desarrollo, relativamente reciente, del proceso por vía seca, ha sido colocar un pre calcinador en la base de la torre del intercambiador de calor, como se muestra en la figura 1.3, en el cual se quema parte del combustible (50 - 65 % del total) usando como comburente aire del enfriador. Esto permite que el crudo entre en el horno rotatorio con un grado de calcinación superior al 90 % (SISTEMA SF).
Figura 1.3.- Esquema de fabricación de CLINKER por vía seca con sistema de pre calcinación. En el proceso por vía semi-seca o proceso LEPOL (Figura 1.4) el crudo se noduliza en un plato granulador. Los nódulos formados tienen un contenido en agua del 10 - 12 % y un diámetro de aproximadamente 15 Mm. y se alimentan a una parrilla donde se secan, precalientan y se calcinan parcialmente, haciendo uso de los gases de salida del horno rotatorio. Un grado mayor de calcinación se puede lograr quemando parte del combustible en la cámara caliente de la parrilla. Los gases calientes del horno primero pasan a través de la capa de nódulos secos en la cámara caliente, a continuación se desempolvan en unos ciclones, para a continuación pasar a través de la capa de nódulos húmedos en la cámara de secado de la parrilla. La cantidad de polvo que sale con los gases de salida de la parrilla es muy baja, ya que el residual que traían después del ciclonado se deposita en el lecho de nódulos húmedos. Un inconveniente de este proceso es que los gases de salida de la parrilla no se pueden utilizar en el secado de las materias primas durante su molienda, debido a su baja temperatura. Además los costes de mantenimiento de la parrilla son grandes. Por todo ello, las instalaciones modernas raramente utilizan este sistema de fabricación del Clinker. En el proceso por vía semi – húmeda, que también se puede denominar proceso LEPOL (Figura 1.5 ), a las materias primas en forma de papilla se les elimina agua mediante filtros prensa, alcanzándose una humedad del 16 – 21 %. A continuación las tortas que salen de los filtros pueden procesarse en máquinas extrusoras para formar pelets que se alimentan a una parrilla con tres cámaras o bien, dichas tortas, se envían a un depósito intermedio antes de ser alimentadas a trituradoras – secadoras que producen un crudo seco que se alimenta a un torre intercambiadora de calor con o sin sistema de precalcinación. Los sistemas de trituración – secado, operando todo el tiempo en paralelo con el horno, tienen un elevado grado de recuperación de energía haciendo uso de los gases de salida del horno y de la salida del aire del enfriador.
El proceso por vía húmeda fue ampliamente utilizado en otros tiempos, pero debido al gran aumento de los precios de los combustibles ha sido sustituido por el de vía seca, en el cual no hay que evaporar agua, que supone aproximadamente un 35 % de la papilla, representando un gasto energético muy elevado. Sin embargo, en zonas o países donde las materias primas tienen un alto contenido en humedad (CRETA) el proceso por v ía húmeda ha sobrevivido, al menos en lo que se refiere a la preparación de las materias primas. Figura 1.4.- Esquema de fabricación de CLINKER por vía semi – seca.
Figura 1.4.- Esquema de fabricación de CLINKER por vía semi – húmeda.
Un resumen de las características de operación de cada uno de los cuatro procesos de fabricación del Clinker pueden verse en la tabla 1.1. Asimismo, en la tabla 1.2 se da una presentación esquemática de dichos procesos. Tabla 1.1.- Características de operación de los cuatro procesos de fabricación del Clinker
Tabla 1.2.- Presentación esquemática de los procesos de fabricación del Clinker
2. Etapas de la preparación de las materias primas: Después de su extracción de las explotaciones mineras, generalmente canteras con arranque por voladura para el caso del componente calcáreo, las materias primas, que son de características químicas y mineralógicas diferentes y recibidas algunas de ellas en trozos de gran tamaño, deben de sufrir un proceso de preparación antes de ser sometidas al proceso de cocción en el horno. La finalidad del proceso de preparación de las materias primas es convertirlas en un polvo (crudo o harina de cemento) de composición homogénea y de características extremadamente precisas, adecuado para ser sometido al proceso de cocción. Dicho proceso está relacionado, básicamente, con la selección de los métodos de ingeniería más eficientes para la trituración, secado, molienda, mezclado y transporte de sólidos entre las distintas etapas. El consumo de energía es considerable, sobre todo en la molienda, y se controla constantemente intentando mejorar el rendimiento energético. Las etapas y operaciones más importantes en la preparación del crudo para la fabricación de CLINKER pueden verse en la figura 2.1.
Figura 2.1- Etapas en la preparación del crudo.
El tamizado y la clasificación también se emplean en la industria del cemento con vistas a conseguir una mayor economía en las operaciones de trituración y molienda. En cambio, la beneficiación y concentración de las materias primas tan solo se aplican en la industria del cemento en casos muy excepcionales. Por otra parte, la importancia económica de este primer conjunto de operaciones, que constituyen la preparación del crudo (Primera etapa de la fabricación del cemento), es suficiente por si sola para que exista un serio interés hacia ella. Así tenemos, que la energía eléctrica consumida en todas las operaciones desde la cantera hasta la entrada en el horno rotatorio es: 21-25 kW-h/t crudo o bien 32-39 kW-h/t Clinker lo que representa más del 60 % de la energía eléctrica necesaria en la fabricación del Clinker y la tercera parte de la de una tonelada de cemento. A la trituración de las materias primas corresponde 1-2 kWh/t Clinker y a la molienda 10 - 15 kWh/t Clinker (Figura 2.2 y tabla 2.1)
Figura 2.2.- Consumo de energía eléctrica en la fabricación del Clinker
Así mismo, en la preparación del crudo los costes de explotación representan, aproximadamente, el 12 % y las inversiones el 30 % del coste de la fábrica. En la figura 2.3 se dan los objetivos que se persiguen con la preparación del crudo. Uno de los objetivos esenciales de la preparación del crudo es proporcionar las diferentes materias primas de que se dispone, con el fin de obtener una composición química del Clinker que se corresponda con la calidad deseada (DOSIFICACION DEL CRUDO).
Figura 2.3.- Objetivos de la preparación del crudo.
Las materias primas de que se dispone no siempre permiten hacer variar el contenido de los óxidos esenciales (CaO, SiO2, Al2O3 y Fe2O3) en todo el rango deseado. En el caso favorable, de que si sea posible obtener el rango deseado, la diferencia de coste que existe, en general, entre las diferentes materias primas, impone, a menudo, un compromiso entre la calidad del clinker y la rentabilidad. Además, la calidad del clinker, no sólo está ligada al contenido de los óxidos esenciales, sino que también depende del contenido de los elementos minoritarios (MgO, Na2O, K2O, etc.), cuya presencia en el cemento en ciertas proporciones puede tener consecuencias considerables en sus propiedades. En la tabla 2.2 se da la composición química de tres crudos con un módulo de silicatos pequeño, medio y grande. También se da el contenido de los elementos minoritarios más comunes. La presencia de determinadas cantidades de CaO, SiO2, Al2O3 y Fe2O3 en el crudo representa una CONDICIÓN NECESARIA para la obtención de cemento de calidad, pero no es una CONDICIÓN SUFICIENTE. Es necesario, en efecto, obtener durante el curso del proceso de cocción una adecuada combinación de los diferentes óxidos, con el fin de obtener los silicatos y aluminatos de calcio deseados. Para ello, se requiere que el crudo posea otras características, para que la combinación, que en la práctica nunca se completa, alcance un grado suficiente. Esto depende esencialmente de:
La aparición, a la temperatura de clinkerización, de una cierta c antidad de fase liquida, lo que favorece considerablemente la combinación. Depende de la proporción de los elementos fundentes (Al2O3 y Fe2O3) e igualmente de ciertos elementos minoritarios (MgO, Na2O, K2O). La finura del crudo.
