UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA Y ALIMENTOS QUIMICA INDUSTRIAL
CATEDRÁTICO: Ing. Delmy del Carmen Rico Peña
INDUSTRIA DEL CEMENTO
ALUMNOS: RODRIGUEZ CONTRERAS, ADRIANA JEANMILLETTE
RC13005
SANDOVAL ANDRADE, ALEJANDRO JOSE
SA12003
SIGUENZA DIAZ, ANDREA IVONNE
SD12001
CIUDAD UNIVERSITARIA, 20 DE JUNIO DEL 2016 0
INDICE GENERAL RESUMEN ................................................................... ...................................................................................................................................... ................................................................... 4 INTRODUCCION ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. 5 1 .GENERALIDADES DEL CEMENTO ............................................................................................... ............................................................................................... 7 1.1 RESUMEN HISTORICO............................................................. .......................................................................................................... ............................................. 7 1.2 RESEÑA DE LA L A PRODUCCION DE CEMENTO EN EL SALVADOR ........................................... 9 1.3 DEFINICION DE CEMENTO .................................................................. ................................................................................................. ............................... 10 1.4 GENERALIDADES...................................................................... ................................................................................................................ .......................................... 11 1.5 CLASIFICACION DE LOS CEMENTOS ............................................................... ................................................................................... .................... 11 1.6 CONSTITUYENTES DE LOS CEMENTOS .............................................................................. 16 1.7 PROPIEDADES FÍSICAS DEL CEMENTO ........................................................... ............................................................................... .................... 17 2. QUIMICA DEL CEMENTO ......................................................................................................... ......................................................................................................... 23 2.1 MATERIAS PRIMAS Y CRUDO ............................................................ ............................................................................................ ................................ 23 2.2 PROCESOS QUÍMICOS, MINERALÓGICOS Y FÍSICOS EN LA COCCIÓN DE CEMENTO ........ 33 2.3 EL CLINKER DEL CEMENTO PORTLAND ......................................................... ............................................................................. .................... 44 2.4
MOLIENDA DE CEMENTO ............................................................ ............................................................................................ ................................ 50
2.5 HIDRATACION DE LOS CEMENTOS (FRAGUADO, ENDURECIMIENTO Y RESISTENCAS ...... 60 3. PROCESO DE FABRICACIÓN DEL CEMENTO ............................................................................ ............................................................................ 74 3.1
PROCESO VÍA SECA ........................................................... ...................................................................................................... ........................................... 75
3.2
PROCESO VÍA HÚMEDA ............................................................... ............................................................................................... ................................ 83
3.3 ALMACENAMIENTO DEL CEMENTO .................................................................................. 87 3.4 CONTROL DE CALIDAD ........................................................... ...................................................................................................... ........................................... 89 4. IMPORTANCIA ECONOMICA EN EL SALVADOR A NIVEL REGIONAL O MUNDIAL DE LA INDUSTRIA DEL CEMENTO. ......................................................................................................... ......................................................................................................... 92 5. ALTERNATIVAS EN EL PROCESO PRODUCTIVO DEL CEMENTO PARA UNA PRODUCCIÓN P RODUCCIÓN “MAS .................................................................................................................................. 101 /LIMPIA”. ...................................................................................................................................
6. DISPOSICION FINAL Y TRATAMIENTO DE LOS DESECHOS GENERADOS EN LA INDUSTRIA DE CEMENTO. ............................................................................................................... ................................................................................................................................. .................. 109 OBSERVACIONES .................................................................... ....................................................................................................................... ................................................... 119 CONCLUSIONES .................................................................................................................. ......................................................................................................................... ....... 120 RECOMENDACIONES ................................................................................................................. ................................................................................................................. 121 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ................................................................................................. ................................................................................................. 122 ANEXOS ........................................................... .............................................................................................................................. .......................................................................... ....... 123
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INDICE DE FIGURAS Figura 1. 1 . Aparato de Blaine ................................................................................................... ......................................................................................................... ...... 19 Figura 2. Ensayo del tiempo fraguado en pasta usando la aguja de Vicat (ASTM ( ASTM C-191) ........... 21 Figura 3. Ensayo del tiempo determinado por la aguja de Gilmore (ASTM C-266) .................... 21 Figura 4. 4 . Formación Fo rmación de cementos ............................................................... ............................................................................................... ................................ 24 Figura 5. Métodos de análisis por rayos X .............................................................. .................................................................................. .................... 33 Figura 6. Formación de las fases en el horno Lepol .................................................................... .................................................................... 35 Figura 7. Relación entre el módulo silícico y la proporción de cal combinada de crudos sintéticos compuestos de óxidos puros ...................................................................................... ...................................................................................... 41 Figura 8. Influencia del tamaño de las partículas de caliza en el contenido de CaO libre a distintas temperaturas ................................................................................. ................................................................................................................ ............................... 43 Figura 9. Resistencia a compresión de las fases del Clinker (relación agua/cemento) ............... 46 Figura 10. Desarrollo de las resistencias en la hidratación de cementos con distintas granulometrías ........................................................................................................ ............................................................................................................................ .................... 57 Figura 11 Contenido de yeso y de hemihidrato en función de la la temperatura de la carga del molino ............................................................. ................................................................................................................................... ............................................................................ ...... 58 Figura 12. Relación entre la resistencia a compresión a 28 dí as, la relación agua/cemento, y la categoría resistente del cemento ............................................................................................... 62 Figura 13. Pasta hidratada de cemento con cristales aciculares de ettringita (micrografía obtenida con microscopio electrónico) ...................................................................................... 65 Figura 14 Silicatos cálcicos hidratados en la pasta hidratada de cemento ................................ 66 Figura 15 Representación esquemática de la formación de las fases hidratadas y del desarrollo de la estructura en la hidratación del cemento ................................................................... ......................................................................... ...... 67 Figura 16.fabricación del cemento.............................................................. .............................................................................................. ................................ 75 Figura 17 esquema general del proceso de fabricación de cemento vía húmeda y vía seca ..... 75 Figura 18 trituradora cónica de piedra ....................................................................................... 76 Figura 19 1 9 diagrama de caja de aireación................................................................. ..................................................................................... .................... 77 .................................................... 78 Figura 20 defectos de fluidización: a)- perforación del lecho ..................................................... Figura 21 2 1 representación esquemática del sistema de ............................................................... 79 Figura 22 diagrama de un horno rotatorio donde a la izquierda se aprecia el sistema de suministro de crudo además de un sistema de precalentamiento............................................. 80 Figura 23. Diagrama de flujo del proceso en vía seca ................................................................. 82 Figura 24. Esquema de un molino de bolas ................................................................................ 84
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INDICE DE TABLAS Tabla 1 Composición química de cementos (valores indicativos en %masa)........................... 16 Tabla 2 Límites de la composición química de crudos de cemento (calcinados)........................ 28 Tabla 3 Transformaciones químicas en el tratamiento térmico de crudos de cemento portland (reacciones principales en la clinkerización) ............................................................................... 34 Tabla 4. Fases del Clinker ............................................................................................................ 45 Tabla 5 Composición química de las fases de un Clinker de cemento portland, en % en masa, determinada experimentalmente............................................................................................... 50 Tabla 6. Composiciones químicas de escorias granuladas de horno alto utilizadas en la fabricación de cemento (en % en masa) ..................................................................................... 52 Tabla 7 ......................................................................................................................................... 55 Tabla 8. Aumento promedio del rendimiento de los molinos de cemento mediante coadyuvantes de molienda ......................................................................................................... 60 Tabla 9 zonas que caracterizan un horno húmedo ..................................................................... 85 Tabla 10 América Latina y el Caribe, producción 1977-1982, en miles de toneladas ................. 94 Tabla 11. Producción mundial en millones de toneladas. .......................................................... 97 Tabla 12. El salvador- Importaciones-Evolución-NCE: cemento- cementos hidráulicos .......... 100 Tabla 13. Composición química del polvo en los hornos de cemento, antes y después del colector de polvo....................................................................................................................... 114 Tabla 14 Características de los gases de salida en las fábricas de cemento ............................. 118 Tabla 15 Tipos de residuos más frecuentemente empleados como materias primas en la industria del cemento ............................................................................................................... 118
INDICE DE GRAFICOS Gráfico 1 Resistencias a compresión relativas, correspondientes a variaciones del módulo sílico............................................................................................................................................. 69 Gráfico 2 Resistencias a compresión relativas, correspondientes a variaciones del módulo de fundentes .................................................................................................................................... 69 Gráfico 3 Resistencias a compresión relativas, correspondientes a variaciones del módulo del estándar de cal ............................................................................................................................ 70 Gráfico 4 Resistencias a compresión relativas, en función del estándar de cal StC, del módulo silícico MS y del módulo de fundentes MF ................................................................................. 71 Gráfico 5 Influencia del contenido creciente del MgO en el desarrollo de las resistencias a compresión y en el contenido de fases del Clinker ..................................................................... 72 Gráfico 6 Consumo Vrs producción 1900-1930 ......................................................................... 93 Gráfico 7 Consumo de cemento per cápita 1929 ....................................................................... 93 Gráfico 8. Producción de países Americanos sobresalientes al 2011 ........................................ 98 Gráfico 9. El Salvador-Importaciones-Evaluación-NCE-cementos hidráulicos ........................... 99 Gráfico 10 El Salvador-Importaciones-Evaluación-NCE-cementos hidráulicos ........................ 100
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RESUMEN El cemento se remonta hace miles de años en la época romana donde ellos llamaban “caementitium” a ciertos elementos constru ctivos tipo hormigón, los cuales se obtenían de combinar piedra machacada y otros materiales similares con cal calcinada. Actualmente se le conoce como cemento a un conglomerado hidráulico para mortero y hormigos finamente molidos, constituido principalmente por compuestos de óxidos de Calcio con óxidos de Silicio, Aluminio y Hierro. El cemento se puede clasificar en base a su resistencia y otras cualidades de este pero la clasificación más aceptada es en base a su composición en donde estos pueden ser cementos basados en silicatos o aluminatos de calcio y los que no están basados en ellos. El cemento de mayor importancia en el cemento Portland el cual es el más utilizado en la construcción y es utilizado como aglomerante para la fabricación de hormigón o concreto, preferido por su gran resistencia el cual puede llegar a ser tan duradero como la piedra. El cemento puede ser fabricado ya sea por vía húmeda o por vía seca en donde el proceso por vía seca representa un mayor ahorro energético y otras ventajas frente al proceso por vía húmeda. La industria cementera nace en El Salvador en marzo de 1949, año en que inicia operaciones la empresa CEMENTOS DE EL SALVADOR S.A. o comúnmente conocida por sus siglas CESSA la cual en sus inicios estuvo ubicada en la ciudad de Acajutla, Sonsonate, para posteriormente en el año de 1965 se trasladara la fábrica a Metapan, Santa Ana y en el año de 1998 se convierte en Holcim.
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INTRODUCCIÓN El elemento físico primordial y que sin él no podría ser posible tanta evolución en la industria de la construcción, es el denominado “cemento”, que ha permitido el desarrollo de muchas civilizaciones en
el pasado y muchos países en la actualidad. El cemento es un material básico para la edificación y la ingeniería civil. Tiene como propiedad principal la de formar masas pétreas resistentes y duraderas cuando se mezcla con áridos y agua Entre estos aspectos se pueden mencionar los tipos de cemento; sus componentes, tanto físicos como químicos; las clases de adiciones; el proceso de fabricación haciendo mención a las materias primas; su origen, que abarca desde las primeras mezclas que las civilizaciones antiguas utilizaron para sus edificaciones, hasta los primeros indicios del nacimiento del Portland; el descubrimiento del cemento que se utiliza en la actualidad. Hoy en día, todos los tipos de concreto fabricados con cemento portland pueden ser utilizados para cualquier aplicación. La infinidad de características con las que cuentan los cementos actuales permite escoger el que mejor se adecue a las necesidades. A través del tiempo se ha podido demostrar las increíbles propiedades, su gran durabilidad y resistencia, con las grandes edificaciones, las obras públicas o los conjuntos artísticos. La microestructura de cada uno de los elementos que al mezclarlos integran el cemento, son tan relevantes como los procesos de fabricación del mismo. A esto se debe la importancia de las características físicas y químicas, porque teniendo un conocimiento más profundo del comportamiento de los elementos que lo componen, se puede comprender las reacciones que este podría tener, especialmente en su resistencia y durabilidad. Existen varias clases de cementos, ya que sus propiedades cambian dependiendo de las materias primas que se usen y los procesos que se utilicen para su producción. El proceso de fabricación se compone de cuatro etapas principales:
La extracción y molienda de materias primas. Homogenización de la materia prima Producción de Clinker 5
Molienda de cemento
El proceso de fabricación del cemento es uno de los más costosos y difíciles de la actividad manufacturera. Es un proceso continuo de 24 horas al día, con altos costos. Para los países desarrollados, cuya demanda en infraestructura ha disminuido más notablemente desde la crisis económica de 2008; por lo que la mayoría de las empresas transnacionales productoras de cemento, como Holcim, Cemex y Lafarge, han preferido cerrar sus plantas de fabricación en esas ciudades y abrir nuevas en países latinoamericanos, lo que les es de mayor beneficio que pagar los precios altos de costo de transporte del producto. Pero aunque a simple vista parecieran fuentes de trabajo para la región, esto trae consecuencias negativas a la problemática ambiental. Algo muy importante que hasta hace unos años atrás se le ha puesto el énfasis que requiere, ha sido el impacto ambiental que como consecuencia ha acarreado la industria del cemento en todo el mundo.
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1 .GENERALIDADES DEL CEMENTO 1.1 RESUMEN HISTORICO El nombre “cemento” es de origen romano. Los rom anos llamaron
«opues
caementitium»
(obra
cementicia)
a
ciertos
elementos
constructivos del tipo del hormigón, los cuales obtenían a partir de piedra machacada y materiales similares, conglomerados con cal calcinada. Más tarde se designaron como «cementum» aquellos materiales de adición que, añadidos a la cal calcinada, impartían a estas propiedades hidráulicas, es decir, capacidad de combinarse con el agua, fraguado y endureciendo en húmedo e incluso bajo agua. A este respecto hay que citar particularmente el polvo de ladrillo y las tobas volcánicas Los romanos supieron utilizar perfectamente este material, y tal vez la obra más famosa es el Panteón de Roma, templo circular construido bajo el imperio de Adriano. Tanto la cúpula como las paredes, de varios metros de espesor, son de hormigón, estando estas últimas recubiertas de un revestimiento de ladrillo. Con objeto de que este hormigón alcanzase propiedades y comportamiento hidráulicos se le añadió puzolana, esto es, una toba volcánica en particular de la actual localidad de Pozzuoli, próxima al Vesubio Hasta la segunda mitad del siglo XVIII hubo una falta absoluta de claridad acerca de las causas responsables de las propiedades y del comportamiento hidráulico de los conglomerantes. El ingeniero inglés John Smeaton (1724-1792) reconoció la importancia del concreto de arcilla en la hidraulicidad, al tratar de encontrar en 1756 un conglomerante resistente al agua para la construcción del nuevo faro de Eddystone. Se consideró que poseían buenas propiedades hidráulicas
aquellos
conglomerantes
que
no
se
disolvían
completamente en ácido nítrico, dejando un residuo de arcilla y cuarzo 7
En 1796 James Parker obtuvo en Inglaterra, a partir de nódulos de una marga llamada septaria, de la región londinense, un conglomerante hidráulico al que llamo «cemento romano». Los primeros ensayos para producir cemento por calcinación de una mezcla artificial de caliza y arcilla se llevaron a cabo en Francia, particularmente por Vicat, por cocción a alta temperatura de una mezcla de cal y arcilla. Al conglomerante obtenido lo llamo «cemento portland», si bien por su composición y propiedades correspondía a lo que en la nomenclatura actual se designa como cal hidráulica. La denominación de «cemento portland» fue elegida por Aspdin para su producto como consecuencia del parecido de los conglomerados artificiales pétreos hechos con el (y con áridos), con la piedra de Portland, una caliza oolítica de la península del mismo nombre, en el sur de Inglaterra. Sin embargo, fue su hijo W. Aspdin quien por primera vez, en 1843, consiguió, por cocción a una temperatura aun mayor, la obtención de un conglomerante que, junto a una masa de «incocido», contenía una proporción considerable de material sintetizado. Este conglomerante alcanzo resistencias notablemente superiores a las de los precedentes, y fue utilizado, entre otras construcciones, en la de los nuevos edificios del parlamento de Londres. Según la nomenclatura actual habría que designarlo como el primer «cemento Portland». En la segunda mitad del siglo XIX se desarrolló rápidamente la industria del cemento en varios países, incluida Alemania. La primera fábrica alemana de cemento, la cual produjo durante varios decenios, fue construida en 1855 por H. Bleibtreu en Zullchow, cerca de Stettin, y a ella le siguió la segunda en Oberkassel, cerca de Bonn, en 1858. En 1889 existían ya 60 fábricas de cemento en Alemania y 83 en 1900. Al principio trabajaban solo con hornos verticales discontinuos o intermitentes, si bien más tarde utilizaron hornos anulares. El primer horno rotatorio fue instalado en 1898
8
En 1862 E. Gangen descubrió las propiedades hidráulicas latentes de las escorias granuladas de horno alto, al comprobar el desarrollo de resistencias altas en el endurecimiento de mezclas de cal cocida con dichas escorias. La activación de las escorias granuladas de horno alto por medio del cemento portland fue utilizada por vez primera por G. Prussing en 1882, dando lugar más tarde a los cementos siderúrgicos y de horno alto, o «de» escorias, o «con» escorias, según denominaciones de distintos países. La activación por sulfatos fue descubierta por H. Kuhl en 1908, lo cual dio lugar posteriormente a los llamados cementos sulfosiderurgicos, supersulfatados o sobre sulfatados, o de yeso y escorias, de acuerdo con diferentes denominaciones. Junto a estos descubrimientos Alemanes los primeros cementos aluminosos (de alto contenido de alúmina) se obtuvieron en Francia entre 1914 y 1918, a base de las patentes de J. Bied, los cuales constaban principalmente de una fase solida de aluminato monocalcacio, cristalizada a partir de una fase fundida. Las primeras «Normas para el suministro regular y ensayos de cemento portland» aparecieron en Alemania en 1878. Se trataba de la primera norma Alemana relativa a un material, y al mismo tiempo a un producto industrial masivo. En 1909 y 1917 se normalizaron, respectivamente, los cementos siderúrgicos y los cementos portland de horno alto (de menor y mayor contenido de escoria, en cada caso).
1.2 RESEÑA DE LA PRODUCCION DE CEMENTO EN EL SALVADOR La producción de cemento en El Salvador, se inició en marzo de 1949, año en que comenzó a operar la empresa CEMENTO DE EL SALVADOR, S. A., más conocida por sus iniciales CESSA. En sus inicios, estaba localizada en la ciudad de Acajutla, Departamento de Sonsonate y operaba con un pequeño horno vía húmeda y con una capacidad de 180 toneladas métricas por día. En 1957 se inauguró un segundo horno de 220 toneladas métricas, también vía húmeda. 9
En 1965 se trasladó la fábrica a Metapan (planta de cemento el Ronco), departamento de Santa Ana y se agregó un nuevo horno vía húmeda de 500 toneladas métricas, el cual fue inaugurado en 1969. En 1979 CESSA culmino los trabajos de ampliación de su fábrica en Metapan, al inaugurar su cuarto horno, esta vez vía seca, y con una capacidad de 1000 toneladas métricas por día En 1989 es fundada la Asociación Solidarista ATCESSA En 1991 la fundación CESSA empieza a operar En 1993, la planta de Cemento Maya en Metapan es adquirida por CESSA y modernizada En 1998 se dio una alianza estratégica con Holderbank, luego se convirtió en Holcim En 1999 el horno 5 comenzó a operar En 2002 la planta de concreto San Miguel es construida En 2004 se construyó la planta de concreto en Santa Tecla En el 2006 la planta de Coprocesamiento Geocycle es construida En el 2007 se creó el programa construfacil y se le dio inicio En 2010 CESSA se convirtió en Holcim El Salvador En 2014 la planta de concreto San Andrés es construida En 2015 se dio la fusión LafargeHolcim oficialmente
1.3 DEFINICION DE CEMENTO El cemento es un conglomerado hidráulico para mortero y hormigón, finamente molido, constituido esencialmente por compuestos de óxido de calcio con óxidos de silicio, aluminio y hierro, obtenidos por sinterización o fusión. El cemento amasado con agua endurece tanto al aire como bajo agua, en la cual mantiene su resistencia; debe ser estable – mantener constancia de volumen- y alcanzar una resistencia mínima a compresión a 25N/mm 2 a 28 días.
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1.4 GENERALIDADES Todos los tipos de cemento son conglomerantes hidráulicos, esto es que amasados con agua endurecen tanto al aire como bajo agua. La pasta de cemento endurecida que se forma en el proceso de endurecimiento es un material pétreo resistente al agua. Por regla general los cementos de igual composición son tanto más reactivos cuanto más finamente molidos están, ya que así presentan mayor superficie dispuesta para reaccionar. Esto da por resultado una tendencia de los cementos a presentar tiempos de fraguado más cortos, mayores resistencias tempranas y mayores velocidades de desprendimiento de calor a corto plazo. Es posible obtener otro aumento adicional de la disposición para la reacción, y por lo tanto para la elevación de las resistencias iniciales, mediante el incremento de los contenidos de alita y de aluminato, a costa de los de velita y ferrito. La tendencia opuesta (lentitud en las reacciones, tiempos de fraguado más largos, resistencias a corto plazo más bajas, menores calores de hidratación) se da con moliendas más groseras, con cementos más ricos en belita, así como con adiciones de escorias (en cementos siderúrgicos) y de puzolanas (en cementos puzolanicos, por ejemplo, en cementos con trass).
1.5 CLASIFICACION DE LOS CEMENTOS Todos los cementos conocidos pueden ser clasificados en dos grandes categorías: Aquellos que fijan y endurecen en presencia de cantidades apreciables de agua y aquellos que no lo hacen, siendo los primeros los de mayor importancia y reciben el nombre de Cemento Hidráulicos Los cementos pueden ser naturales o artificiales. Los naturales son productos de la calcinación de piedras y calizas y arcillosas, que con 11
esta composición se encuentran en la naturaleza; los artificiales se logran
mezclando
las
materias
primas
antes
mencionadas
y
sometiéndolas al proceso de calcinación Hay cementos hidráulicos que se diferencian en las distintas proporciones de las mezclas, por lo que existen dos clases principales:
Cemento rápido: es un cemento en el que el fraguado dura solamente de 15 a 20 minutos; tiene arcilla en una proporción que oscila entre 35 y 55%, con un índice de hidraulicidad entre 0.65 y 1.2
Cemento lento: su fraguado dura más de una hora, adquiriendo su máxima resistencia pasados 5 días. Su índice de hidraulicidad es de 0.65 a 0.8 y la proporción de arcilla entre 35 y 45% Sin embargo, la clasificación más acertada y completa del cemento y por lo tanto la de mayor aceptación es:
1. Cementos basados en silicatos o aluminatos de calcio Cemento aluminoso (con alto contenido de alúmina), es elaborado por calentamiento de piedra caliza y bauxita, usualmente para completar la fusión. El constituyente principal es aluminato de mono calcio. Este tipo de cemento endurece rápidamente; una alta resistencia es desarrollada en 24 horas. El producto tiene una alta resistencia al ataque de sulfatos Cementos de escoria, comprende toda una amplia gama de productos elaborados a partir de escoria de altos hornos, la cual ha sido granulada, luego fundida y posteriormente templada hasta un cristal. Los tipos más importantes son los cementos de altos hornos y los cementos supersulfatados. Los cementos de altos hornos son mezclas de escorias granuladas y Clinker de cemento
Portland,
en
proporciones
que
pueden
variar
ampliamente. Los cementos supersulfatados contienen un 75% o 12
más de escorias granuladas, mezcladas con más del 5% del Clinker de cemento portland o cemento portland mismo Cemento puzolanico, son por definición en general una mezcla de puzolana con cemento portland. Las puzolanas son sustancias las cuales no son semejantes por sí mismas, pero reaccionan con hidróxido de calcio en presencia de agua a temperatura ambiente y consecuentemente actúan como cemento. Entre estos se incluyen ciertos minerales naturales de origen volcánico, y materiales artificiales elaborados por calcinación de ciertas arcillas o pizarras. Cementos expansivos, son aquellos que producen una pasta que se expande ligeramente durante la hidratación. En este aspecto, difieren de los demás cementos. Productos de silicato de calcio, son fabricados por tratamiento en autoclave de pastas conteniendo cal junto con silicio o materiales ricos en silicato reactivo; como ejemplo figuran ladrillos de silicato de calcio y varios tipos de bloques de construcción liviana, materiales aislante y láminas de asbesto de silicato de calcio
2. Cementos no basados en silicatos o aluminatos de calcio Cemento oxicloruro de magnesio. Este se obtiene tratando la mezcla de óxido de magnesio y agregados con una solución concentrada de cloruro de magnesio. El óxido de magnesio se obtiene
calcinando
carbonato
de
magnesio
a
bajas
temperaturas, hasta dar un producto reactivo. El producto es duro, pero no resiste el agua; puede protegerse puliéndose con cera en agua y es frecuentemente usado como un material de superficie Argamasas de yeso. Estas son producidas por la completa o parcial deshidratación del yeso; sin embargo, su fijación se logra 13
mezclando su pasta con agua, lo que se debe a la posterior rehidratación del mismo compuesto Otros cementos, entre estos se encuentran cementos de aluminato de bario y aluminato de estroncio, los cuales tienen amplia aplicación como cementos refractarios, ya que permiten alcanzar mayores temperaturas que con los cementos de aluminato. Los cementos de silicato de bario tienen un posible uso en el concreto usado para defensas o resguardos nucleares pero han sido poco investigados
3. Cemento Portland El cemento portland ha sido definido como “el producto obtenido por
la pulverización de la escoria consistente, esencialmente en silicatos hidráulicos de calcio que, por lo general, contienen una o más formas de sulfato de calcio como adición interna de molienda”. Los silicatos
hidráulicos de calcio poseen la propiedad de endurecerse sin secarse o por reacción con el bióxido de carbono atmosférico, diferenciándose así de otros adhesivos inorgánicos, como es el yeso blanco Las reacciones implicadas en el endurecimiento del cemento son la hidratación y la hidrolisis. Se conocen cinto tipos de cemento portland:
TIPO I, Cemento de uso general. El cemento Tipo I es un cemento para uso general, apropiado para todos los usos donde las propiedades especiales de otros cementos no sean necesarias. Sus empleos en concreto incluyen pavimentos, pisos, edificios en concreto armado,
puentes,
tanques,
embalses,
tubería,
unidades
de
mampostería y productos de concreto prefabricado y pre colado.
TIPO II, Moderada resistencia a los sulfatos. El cemento Tipo II se usa donde sean necesarias precauciones contra el ataque por sulfatos. Se lo puede utilizar en estructuras normales o en miembros 14
expuestos a suelos o agua subterránea, donde la concentración de sulfatos sea más alta que la normal pero no severa. El cemento Tipo II tiene propiedades de moderada resistencia a los sulfatos porque contiene no más del 8% de aluminato tricálcico (C 3A).
TIPO III, Alta resistencia temprana. El cemento Tipo III ofrece altas resistencia a edades tempranas, normalmente una semana o menos. Este cemento es química y físicamente similar al cemento Tipo I, a excepción de que sus partículas se muelen más finamente. Es usado cuando se necesita remover las cimbras (encofrados) lo más temprano posible o cuando la estructura será puesta en servicio rápidamente. En clima frío, su empleo permite una reducción en el tiempo de curado. A pesar de que se puede usar un alto contenido de cemento Tipo I para el desarrollo temprano de la resistencia, el cemento Tipo III puede ofrecer esta propiedad más fácilmente y más económicamente.
TIPO IV, Bajo calor de hidratación. El cemento Tipo IV se usa donde se deban minimizar la tasa y la cantidad de calor generado por la hidratación. Por lo tanto, este cemento desarrolla la resistencia en una tasa más lenta que otros tipos de cemento. Se puede usar el cemento Tipo IV en estructuras de concreto masivo, tales como grandes presas por gravedad, donde la subida de temperatura derivada del calor generado durante el endurecimiento deba ser minimizada.
TIPO V, Resistencia al sulfato. El cemento Tipo V se utiliza en concretos expuestos a la acción severa de sulfatos, principalmente donde el suelo y el agua subterránea tienen alta concentración de sulfatos. Su desarrollo de resistencia es más lento que en el cemento tipo I. La alta resistencia a los sulfatos del cemento tipo V se atribuye al bajo contenido de aluminato tricálcico, no excediendo a 5%. El uso de baja 15
relación agua/materiales cementantes y baja permeabilidad son fundamentales para el buen desempeño de cualquier estructura expuesta a los sulfatos.
TIPO IA, IIA, Y IIIA, Inclusores de aire. Estos tipos de cemento tienen una composición semejante a los cementos Tipo I, II, y III, excepto que durante la fabricación se muele junto con el Clinker Portland un material inclusor de aire. Estos cementos producen concretos con resistencias mejoradas contra la acción de la congelación/deshielo y contra la descamación provocada por la aplicación de productos químicos para remover hielo y nieve.
1.6 CONSTITUYENTES DE LOS CEMENTOS Los constituyentes principales de los cementos son el Clinker de cemento portland, la escoria de horno alto y el tras. El contenido de óxido magnésico (MgO) referido al Clinker exento de perdida al fuego no debe sobrepasar el valor de 5% en masa, ni el contenido de sulfatos (SO3) debe rebasar los valores indicados en el cuadro 1.1. Se toleran otras adiciones en cantidades hasta 1% en masa, con tal de que se compruebe que no provocan o activan la corrosión de las armaduras. No se deben añadir cloruros (Cl -) al cemento, y el contenido de los procedentes de las materias primas no debe ser superior a 0.10% en masa
Tabla 1
Óxidos Normal
CaO SiO2
61-69 18-24
Composición química de cementos (valores indicativos en %masa)
Cemento Portland De alta Con alta resistencia resistencia inicial a sulfatos 66 64 20 21
Blanco
Cemento Portland siderurgico
Cemento puzolanico
67 23
44-61 21-30
47-60 20-28 16
Al2O3 Fe2O3 MgO SO3
4-8 1-8 <5 2-4
5 3 <2 3-4
4 7 <2 2-4
4 <1 <2 2-4
6-15 1-3 <7 2-4
5-10 2-4 <3 2-4
1.7 PROPIEDADES FÍSICAS DEL CEMENTO Las
especificaciones
de
cemento
presentan
límites
para
las
propiedades físicas y para la composición química, es por ello que la comprensión de la importancia de las propiedades físicas es útil para la interpretación de los resultados de los ensayos de los cementos. Los ensayos de las propiedades físicas de los cementos se deben utilizar para la evaluación de las propiedades del cemento y no del concreto. Las especificaciones del cemento limitan las propiedades de acuerdo con el tipo de cemento. Durante la fabricación del cemento, se monitorean continuamente la química y sus propiedades físicas, entre las más destacadas se pueden mencionar:
A.
Tamaño de las Partículas y Finura
La finura es una propiedad muy importante del cemento y por ello tiene que someterse a un control cuidadoso, especialmente de los fabricantes. Las partículas de cemento, por ser muy pequeñas, no pueden ser separadas por mallas. Por esta razón, el grado de finura del cemento se mide por otro tipo de métodos y parámetros. El parámetro de medición de la finura del cemento es el área específica, expresada como el área de la superficie total en cm² por gramo de cemento (o m² por Kg de cemento).
17
El área especificada en cm²/g significa la cantidad de superficie que un gramo de partículas de cemento puede cubrir. Así, un cemento con área específica mayor será más fino que otro con área específica menor. La finura del cemento afecta el calor liberado y la velocidad de hidratación. La mayor finura del cemento aumenta la velocidad o tasa de hidratación del cemento y, por lo tanto, acelera el desarrollo de la resistencia. Un aumento en la finura del cemento tiene los siguientes efectos: Hidratación temprana: un alto grado de finura eleva la cantidad de yeso requerido para propiciar un efecto retardante adecuado, puesto que en cementos más finos, existe más cantidad de aluminato tricálcico (C3A) libre para una velocidad de hidratación rápida. Desarrollo rápido de la resistencia a la compresión en el concreto, especialmente a edades mayores o cercanas a los 7 días. Por esta razón, el cemento de alta y temprana resistencia es molido más finamente y con mayores proporciones de silicato tricálcico (C3S) y aluminato tricálcico (C3A). La distribución total del tamaño de las partículas del cemento se llama "finura". Aun así, moler las partículas del cemento hasta obtener un alto grado de finura presenta ciertas desventajas: Representa un proceso con costos considerables. Las partículas de cemento al ser más finas se deterioran con mayor rapidez por la atmósfera. Experimentan una reacción más fuerte con los agregados reactivos alcalinos. Forman una pasta con mayor contracción y más susceptibilidad de agrietamiento. 18
Para medir la finura del cemento se puede utilizar cualquiera de los dos aparatos que a continuación se presentan: 1.
El Turbidímetro De Wagner: el cual se basa en la teoría de la
sedimentación para obtener la distribución de las partículas en tamaños, con la que se calcula la superficie específica. En una probeta de vidrio con keroseno se dispersa una muestra de cemento y se toman medidas de la velocidad de sedimentación por los cambios en intensidad de luz que pasa a través de la suspensión. 2.
El Aparato de Blaine: el cual usa un método de
permeabilidad al aire. La superficie específica se determina haciendo pasar una cantidad definida de aire por una muestra preparada en una determinada forma, la cantidad de aire que pasa es función del tamaño y de la distribución de tamaños de las partículas 3.
La norma utilizada para la determinación de la finura del
cemento hidráulico es la ASTM C-204 utilizando el aparato de Blaine.
Figura 1. Aparato de Blaine
B.
Sanidad (Constancia De Volumen)
La sanidad se refiere a la habilidad de la pasta de cemento en mantener su volumen.
La
falta
de
sanidad
o
la
expansión
destructiva retardada se puede causar por la cantidad excesiva de cal
libre
o
magnesia
súper calcinadas.
La mayoría de las
especificaciones para cemento Portland limitan el contenido de 19
magnesia (periclasa) y la expansión máxima que se mide por el ensayo de expansión en autoclave.
C.
Consistencia
La consistencia se refiere a la movilidad relativa de la mezcla fresca de pasta o mortero de cemento o su habilidad de fluir. La fluidez de los morteros se determina en una mesa de fluidez (mesa de caídas, mesa de sacudidas) como se describe en la norma ASTM C-230.
D.
Tiempo de Fraguado
El objetivo del ensayo del tiempo de fraguado es la determinación (1) del tiempo que pasa desde el momento de la adición del agua hasta cuando la pasta deja de tener fluidez y de ser plástica (llamado fraguado inicial) y (2) del tiempo requerido para que la pasta adquiera un cierto grado de endurecimiento (llamado fraguado final). Para determinar si un cemento se fragua de acuerdo con los límites establecidos en las especificaciones de cemento, los ensayos se realizan con el uso del aparato de Vicat o la aguja de Gillmore. El inicio del fraguado de la pasta de cemento no debe ocurrir demasiado temprano y el final del fraguado no debe ocurrir muy tarde. Los tiempos de fraguado indican si la pasta está o no sufriendo reacciones normales de hidratación. El sulfato (de yeso u otras fuentes) en el cemento regula el tiempo del fraguado, pero este tiempo también se afecta por la finura, relación agua-cemento y cualquier aditivo empleado.
20
Figura 2. Ensayo del tiempo fraguado en pasta usando la aguja de Vicat (ASTM C-191)
Figura 3. Ensayo del tiempo determinado por la aguja d e Gilmore (ASTM C-266)
E.
Calor de Hidratación
El calor de hidratación es el calor que se genera por la reacción entre el cemento y el agua. La cantidad principalmente, de
de
calor generado
depende,
la composición química del cemento, siendo el
C3A (Aluminato Tricálcico) y el C3S (Silicato Tricálcico) los compuestos más importantes para la evolución de calor. La relación agua-cemento, la finura del cemento y la temperatura de curado también son factores que intervienen en la generación de calor. Un aumento de la finura, del contenido de cemento y de la temperatura de curado aumenta el 21
calor de hidratación. Se genera una gran cantidad de calor en los tres primeros días, con la mayor tasa de liberación de calor normalmente ocurriendo a lo largo de las primeras 24 horas. A pesar que el cemento Portland puede liberar calor por muchos años, la tasa de generación de calor es mayor en las edades tempranas. Para la mayoría de los elementos de concreto, tales como losas, el calor generado no trae preocupación porque el calor se disipa rápidamente en el ambiente. Sin embargo, en estructuras de grandes volúmenes, con espesor mayor de un metro, la tasa y la cantidad de calor generado son importantes. Si este calor no se disipa rápidamente, puede ocurrir un aumento considerable de la temperatura del concreto. Este aumento de temperatura puede ser indeseable, pues después del endurecimiento a altas temperaturas, el enfriamiento no uniforme de la masa de concreto hasta la temperatura ambiente puede crear esfuerzos de tracción indeseables. Por otro lado, el aumento de la temperatura en el concreto causado por el calor de hidratación es frecuentemente beneficioso en clima frío, pues ayuda a mantener las temperaturas favorables para el curado.
F.
Masa Unitaria
La masa unitaria (densidad aparente) del cemento se define como masa de las partículas de cemento más el aire entre las partículas por unidad de volumen. La masa unitaria del cemento puede variar considerablemente, dependiendo de cómo se maneja y almacena el cemento. Si el cemento Portland está muy suelto, puede pesar sólo 830 kg/m³ (524 lb/pies³), mientras que cuando se consolida el cemento a través de vibración, el mismo cemento puede pesar tanto como 1650 kg/m³ (1034 lb/pies³ ). Por esta razón, las buenas prácticas indican que se debe medir el cemento en masa y no en volumen. 22
2. QUIMICA DEL CEMENTO 2.1 MATERIAS PRIMAS Y CRUDO 2.1.1 Materias primas 2.1.1.1 Generalidades y orígenes La materia prima ideal para la fabricación de cemento sería una roca que ya en su estado natural poseyese la composición química necesaria para obtener de ella el Clinker de cemento. En lo posible debería, además, ser abundante, homogénea y fácil de explotar. Pero este caso es extraordinariamente raro. Por lo tanto, como yacimientos de materias primas solo se tienen en cuenta, en general, los de caliza y los de arcilla, por separado, los cuales contienen por lo común ciertas proporciones de otros componentes. Las calizas y las arcillas, geológicamente consideradas, son sedimentos consolidados como rocas llamadas por ello sedimentarias. Estos sedimentos se pueden formar por vía inorgánica a partir de residuos de alteración o de productos de disolución y precipitación de rocas ya preexistentes (por ejemplo, granito y basalto y también caliza, mármol y arenisca) o bien se pueden presentar como nuevas formaciones (en parte por vía inorgánica, como por ejemplo las arcillas engendradas a partir de productos de descomposición por meteorización; y en parte por vía orgánica, como por ejemplo las calizas formadas a partir de conchas y caparazones de moluscos fósiles). Los depósitos sedimentarios son principalmente de origen marino (por ejemplo, la mayoría de las calizas), y más raramente de formación terrestre (como por ejemplo los cantos rodados de rio utilizados como áridos para hormigón). Algunos de estos sedimentos pueden experimentar a continuación un proceso de consolidación
23
Figura 4. Formación de cementos
La forma típica en que se encuentran los sedimentos es en capas, estratos o lechos, originariamente horizontales. Al variar las condiciones de sedimentación o de formación de los lechos se van originando nuevos estratos con propiedades que se diferencian más o menos de las de los estratos anteriores. El resultado de este proceso de formación geológica a lo largo de millones de años es la creación de estratificaciones, a veces de varios centenares de metros de potencia (altura o espesor). Estas estratificaciones, cuyas condiciones de formación marina dan lugar a capas originalmente horizontales que se extienden uniformemente sobre grandes áreas, pueden ser perturbadas por procesos geológicos posteriores, que las inclinen, plieguen, disloquen y quiebren, o causen otras alteraciones, de tal forma que en la explotación actual de las canteras de tales yacimientos es fácilmente reconocible la estratificación en la mayoría de los casos, si bien no siempre se aprecia una continuidad del material en los estratos. Esta circunstancia debe ser tenida en cuenta al proceder a la explotación del material de la cantera.
24
Las calizas consisten principalmente en carbonato cálcico (CaCO 3), en general en la forma de su modificación más estable: la calcita. Junto a esta contiene con frecuencia magnesio, aluminio y hierro combinados en forma de carbonatos y silicatos, así como SiO 2 («ácido silícico» o sílice, en su mayor parte como cuarzo). Se trata generalmente de compuestos calizos de procedencia biógena (organogena) o de precipitación química. Las arcillas son sedimentos clásicos, es decir, constan principalmente de nuevas formaciones y de restos de rocas ya existentes con anterioridad (rocas primarias). El tamaño de grano de sus componentes minerales es menor de 0.002mm y en su mayor parte proceden de sedimentación marina. Los constituyentes más esenciales de las arcillas son los minerales arcillosos (aluminosilicatos de estructura laminar, conteniendo a veces agua de hidratación). Las arcillas constan en su mayor parte de varios minerales arcillosos mezclados entre sí, como por ejemplo illita, montmorillonita, caolinita, halloisita, de composición muy complicada, como ponen de manifiesto las dos fórmulas estructurales de la montmorillonita y de la caolinita Las arcillas pueden contener también proporciones apreciables de otros constituyentes: cuarzo (SiO 2), calcita (CaCO3), yeso (CaSO4.2H2O), hematites
parda
o
limonita
(FeOOH),
pirita
(FeS 2),
feldespato
(aluminosilicatos), componentes carbonosos, etc. Pero siempre en forma finamente dividida y dispersa.
2.1.1.2 Utilización en la fabricación del cemento Los componentes principales disponibles para la fabricación de cemento son, generalmente, las calizas (aportadoras de CaO) y las arcillas (aportadoras de SiO 2, Al2O3, y Fe2O3). Ambas deben mezclarse según sus propias composiciones químicas y la composición requerida para la mezcla. Sin embargo, no solamente es decisiva la composición global de esta última, sino también la finura y la homogeneidad de las 25
materias primas y de la mezcla de las mismas – el crudo-, dado que las reacciones durante el proceso de cocción transcurren entre las fases individuales presentes en dicho material crudo. A mayor superficie de este capaz de reaccionar y a mayor homogeneidad de distribución de las fases minerales en el mismo, corresponden mayores velocidades de las reacciones entre solidos por difusión, que en el caso del crudo más deficiente. Aún más propicias para la fabricación de cementos son, por su mejor comportamiento reactivo. Aquellas materias primas a las cuales la naturaleza ha dado una composición química próxima a la del cemento, como sucede con las margas calizas, puesto que en ellas preexiste ya una mezcla homogénea de componentes de estructura cristalina. Por el contrario, las mezclas de materias primas (por ejemplo, de caliza pura y de arcilla pura), se comportan peor en cuanto a su reactividad en el proceso de cocción El componente aportador de CaO es generalmente una roca de naturaleza caliza, con lo cual aquellas que ya de por si contienen de forma natural un componente arcilloso mezclado, son preferibles por lo dicho anteriormente. Las materias para cemento poseen un contenido de CaCO 3 comprendido entre 74 y 79% en masa, aproximadamente. Las calizas contienen a veces dolomita (CaMg (CO 3)2), con lo cual aportan oxido magnésico (MgO) al crudo. Para contenidos de MgO en el cemento superior al 5% hay que tener en cuenta la posibilidad de expansión por magnesia. El componente aportador de SiO 2, Al2O3, Y Fe2O3 es, por lo general, de naturaleza arcillosa, y también materias primas que contiene arena, como por ejemplo, margas o calizas arenosas. Estos componentes introducen en el crudo, en algunos casos, concentraciones perjudiciales de compuestos, particularmente de alcalisis (K 2O, Na2O), expresados en general como Na2O o de sulfatos (como yeso CaSO 4.2H2O), expresados 26
usualmente como SO 3; y más raramente en cloruros. Estos compuestos pueden ocasionar dificultades durante la cocción, a causa de la intensificación de ciertos procesos cíclicos y de la formación de anillos en el horno. Las arcillas influyen también de un modo decisivo en la aptitud de los crudos para la granulación, y en la exigencia de agua por parte de la pasta cruda en el proceso de fabricación por vía húmeda. Cuando no es posible alcanzar la composición química deseada para el crudo con los componentes antes mencionados, caliza y arcilla, es necesario añadir pequeñas cantidades de otras materias primas de corrección. Estas deben contener concentraciones relativamente altas de los óxidos particularmente precisos para lograr aquella composición, y que son los que faltan en el crudo, pero no deben introducir proporciones porcentuales apreciables de óxidos perjudiciales (por ejemplo MgO y K2O).
2.1.2 Crudos, su dosificación y análisis 2.1.2.1 Fundamentos de la dosificación de las materias primas Para la fabricación de cemento es preciso disponer de forma natural o artificial, de mezclas de materias primas cuya composición química este comprendida entre ciertos límites (Cuadro 1). La producción continua de cemento de alta calidad solo es posible, en primer lugar, si el crudo tiene una composición química optima; y, en segundo lugar, si esta composición oscila entre limites lo más estrechos posible. Los límites indicados en el Cuadro 2.1 se refieren a la producción de muy diversas fábricas de cemento, debiéndose entender que dentro de una determinada fábrica de oscilaciones han de moverse entre límites mucho más estrechos
27
Tabla 2 Límites de la composición química de crudos de cemento (calcinados)
Óxidos
Limites
Contenidos
(%masa)
medios (%masa)
CaO
60-69
65
SiO2
18-24
21
Al2O3
4-8
6
Fe2O3
1-8
3
MgO
<5
2
Na2O
<2
1
SO3
<3
1
K2O,
En la práctica, la composición del crudo (y también la del Clinker de cemento portland) se designa y caracteriza en la mayoría de los casos mediante relaciones, para cuyo cálculo se utilizan los porcentajes de óxidos determinados por análisis químico. Para el cálculo del contenido de óptimo de cal del crudo raramente se usa el llamado modulo hidráulico, dado por:
Se utiliza con mayor frecuencia el estándar de cal (StC). Un contenido elevado de cal en el crudo permite que durante la cocción se formen las fases del Clinker más ricas en cal, las cuales poseen las propiedades más favorables, particularmente por lo que respecta al desarrollo de las resistencias del cemento. Si hubiese un exceso de cal no combinada en Clinker (es decir, en forma de CaO), esta podría dar lugar, por reacción posterior del cemento con el agua, a daños en los morteros u hormigones a causa de fenómenos de expansión.
Por lo tanto el 28
contenido de cal óptimo debe ser alto pero no excesivo. El estándar de cal sirve para fijar el contenido óptimo de cal. En la fórmula de dicho estándar de cal figura la cal realmente existente en el crudo (o en el Clinker), expresada como tanto por ciento de la máxima cantidad de cal que, en condiciones técnicas de cocción y de enfriamiento, puede combinarse con los factores hidráulicos disponibles para formar las fases del Clinker más ricas en cal. Así, pues, el contenido óptimo de cal corresponde a un estándar de cal StC=100, dado por la formula debida a Kuhl:
El modulo silícico MS, es la relación entre sílice SiO 2 y alúmina y oxido férrico
Este módulo caracteriza la relación entre sólido y liquido en la sinterización (en la zona correspondiente al horno), ya que el
predomina en las fases solidas (alita y belita) a la temperatura de sinterizacion, mientras que, por el contrario, la alumina y el oxido férrico
predominan en fase liquida. En los cementos técnicos, el modulo silícico se halla comprendido, en general, entre 1.8 y 3 El módulo alumínico MF es la relación entre los óxidos de aluminio y de hierro
Este módulo caracteriza la composición de la fase fundida, ya que a la temperatura de sinterización ambos óxidos se encuentran, casi en su totalidad, contenidos en dicha fase. Cantidades crecientes de óxido férrico, y por lo tanto valores decrecientes del módulo suponen una 29
disminución de la viscosidad del fundido. Para valores MF<0.638 deja de formarse la fase aluminato tricalcico del Clinker, los cementos exentos de aluminato tricalcico presentan una elevada resistencia química a los ataques por sulfatos. En la fabricación de Clinker tiene lugar una disminución de peso, dado que en el proceso de cocción se desprenden los constituyentes volátiles de los crudos, particularmente CO 2 de la caliza y H2O de la arcilla. La cantidad de crudo seco (es decir, exento de su humedad natural) necesaria para la producción de Clinker de cemento portland se calcula del modo siguiente: El dióxido de carbono se desprende de la caliza: Ca
C
O3 = Ca
O
+ C
O2
(40 + 12 + 48) = (40 + 16) + (12 + 32) 100 partes de CaCO 3 = 56 partes de CaO+44 partes de CO 2 Del componente arcilloso del crudo se desprende, además, un 7% aproximadamente de agua de hidratación. Así, por ejemplo, si se calcina un crudo que solo contiene caliza y arcilla, con un contenido total de CaCO3 de 76%, resulta la siguiente perdida al fuego: Del CaCO3: 0.76*44=33.44% de CO 2 De la arcilla: 0.24*7=1.68% de H 2O Pérdida total por calcinación: 35.12% Es decir, que del crudo con 76% de CaCO 3 se obtienen aproximadamente 64.9% de Clinker, para una perdida por calcinación de 35.1% (o sea que 1 kg de crudo da aproximadamente 0.65kg de Clinker).
30
Para calcular las cantidades de materiales partiendo de contenidos diferentes de CaCO 3, en el crudo se pueden utilizar las formulas siguientes:
() En la que a representa los kg de Clinker por cada kg de crudo:
Donde b representa los kg de crudo por cada kg de Clinker, y c el % del CaO en el Clinker:
2.1.2.2 Análisis de los crudos Para el control de producción de mezclas crudas, de crudos de alimentación de hornos de cemento y de Clinker, se emplean procedimientos analíticos. Además de los métodos de análisis por vida humedad, en las fábricas de cemento modernas se utilizan con dicho fin los métodos de rayos x. Estos métodos analíticos no destructivos se vienen utilizando en la industria de cemento, bien sea para el análisis elementar cuantitativo, pro fluorescencia (espectrometría de rayos X), o por la determinación cuantitativa de fases por difracción (difractometría de rayos x). Es evidente que también se pueden utilizar para determinaciones exclusivamente cualitativas. Mientras que el análisis elemental por fluorescencia de rayos X solo se ha empleado para el control de rutina de las fábricas para la determinación del contenido de cal libre En la industria cementera se utiliza el análisis por fluorescencia de rayos X basado en el principio de dispersión de longitudes de onda, ya que con él se consiguen mayores intensidades y mayor poder de resolución, lo cual proporciona errores menores. Los métodos de preparación de las muestras son decisivos en cuando a la fiabilidad de los resultados del análisis por rayos X. 31
El fundamento físico de este análisis es la ecuación de Bragg: N*λ
En el análisis por dispositivos de que consta el equipo, mientras que λ. Esto es, la longitud de onda característica de la radiación, es determinada de forma experimental. En el caso de la difractometría de rayos X se conocen λ y mediante el equipo, siendo del espaciado reticular característico de la sustancia cristalina que se analiza, lo que se determina experimentalmente. En el caso del análisis por fluorescencia, en el espectrómetro se radica la muestra con rayos X de alta energía. Por la radiación se desalojan electrones de las capas internas de los átomos, siendo inmediatamente ocupadas las posiciones o plazas libres que dejan por electrones de las capas externas. Estos electrones exteriores pasan así a un estado de menor energía, emitiéndose simultáneamente la energía liberada como radiación X de longitud de onda característica y típica de cada clase de átomo o elemento. La intensidad de esta radiación característica emitida, la cual se mida, es proporcional a las cantidades de los respectivos elementos presentes en la muestra que se analiza De la ecuación de Bragg se deduce que las radiaciones X características hay que medirlas para ángulos determinados entre las muestras y el detector. A tal efecto existen dos sistemas de medición: o ben el canal de medida constituido por el cristal analizador y el detector se mueve a lo largo de un cierto espacio angular, y se mide sucesivamente la radiación característica de los elementos, o bien en aparato dispone de varios canales medidores instalados de forma fija, uno por cada elemento que se desea detectar. El sistema secuencial es de mayor flexibilidad, al permitir la detección de elementos muy diferentes. Por otra parte, el sistema simultáneo es más rápido y contiene menos partes móviles, habiéndose mostrado más ventajoso, particularmente en aquellos casos en los que se repiten programas de rutina, en los cuales hay que determinar siempre los mismos elementos. Por ello este sistema es preferible para el control de producción en la industria del cemento, pudiéndose llevar a cabo un análisis completo en pocos minutos Los espectrómetros de fluorescencia de rayos X se pueden utilizar aisladamente, como equipos independientes Los datos de salida pueden adoptar la forma de impulsos, concentraciones (%en masa), 32
módulos y estándares de cal, o ser utilizados en otros casos para el control de proceso en la preparación de materiales de una fábrica de cemento (por ejemplo, en la dosificación de crudos).
Figura 5. Métodos de análisis por rayos X
2.2 PROCESOS QUÍMICOS, MINERALÓGICOS Y FÍSICOS EN LA COCCIÓN DE CEMENTO Para fabricar Clinker de cemento a partir de material crudo es preciso calcinar este hasta 1450ºC, alcanzando así la sinterización o clinkerización. El proceso de cocción exige una atmosfera oxidante dentro del horno, ya que en caso contrario se obtiene un Clinker de color pardo y el cemento resultante presenta un fraguado más rápido y resistencias más bajas. Durante el calentamiento del crudo, y particularmente a la temperatura de cocción tienen ya lugar importantes procesos fisicoquímicos tales como la deshidratación de los minerales de la arcilla, la descomposición de los carbonatos, reacciones en estado sólido y reacciones con participación de una fase liquida o fundida, así como cristalizaciones. Estos procesos se ven afectados sustancialmente, no solo por factores químicos del crudo (como su composición química), sino también por sus factores mineralógicos 33
(composición mineralógica) y por factores físicos, homogeneidad y otros. El transcurso completo de estas reacciones endotérmicas juega un papel decisivo en la calidad del cemento resultante . Tabla 3 Transformaciones químicas en el tratamiento térmico de crudos de cemento portland (reacciones principales en la clinkerización)
34
Figura 6. Formación de las fases en el horno Lepol
2.2.1 Secado El agua libre (no combinada) presente como humedad en el crudo o añadida al mismo, por ejemplo en el proceso de granulación, se desprende en un intervalo de temperaturas que alcanza hasta unos 200ºC
2.2.2 Deshidratación de los minerales de la arcilla A temperaturas comprendidas entre 100 y 400ºC, aproximadamente, los minerales de la arcilla ceden su agua adsorbida, incluida el agua interlaminar A temperaturas superiores y dependiendo de los tipos de minerales arcillosos presentes en la arcilla, es decir, entre unos 400 y 750ºC, se desprende también el agua combinada químicamente en
35
forma de grupos hidroxilos (deshidratación), como sucede, por ejemplo en la deshidratación de la caolinita: Al4 [(OH)8 Si4O10] → 2(Al2O3∙2SiO2) + 4H2O El metacaolín se descompone parcialmente a las temperaturas señaladas, pero también y más a temperaturas crecientes hasta unos 900ºC, dando lugar a mezclas de óxidos reactivos, según la ecuación de reacción: Al2O3∙2SiO2 → Al2O3 + 2SiO2
2.2.3 Descomposición de los carbonatos
El carbonato cálcico (CaCO3) contenido en el crudo en proporciones comprendidas entre 74 y 79% en masa, se descompone (disociación, des carbonatación, calcinación) a temperaturas teóricamente iguales o superiores a 896ºC, según la ecuación: CaCO3 → CaO + CO2 A estas temperaturas, la presión de disociación es igual o mayor que 1, es decir, por lo menos igual a la presión externa. Para ello es necesaria una entalpia de reacción de 1660 kJ/kg. La temperatura de 896ºC solo se refiere a la calcita pura y solo es válida para ella; al aumentar la proporción de impurezas o adiciones mezcladas con ella (como sucede en los crudos de cemento) la disociación se desplaza hacia temperaturas más bajas. En la práctica, la disociación comienza ya entre 550 y 600ºC. Ello es debido a procesos químicos entre el CaO que se forma y las adiciones de SiO 2, Al2O3, Fe2O3, por las cuales se originan por ejemplo, y en primer lugar CaO∙ Al2O3, 12CaO∙ 7Al2O3, CaO∙ SiO2 y 2CaO∙SiO2, por reacción en estado sólido. El contenido libre de CaO es,
36
por lo tanto, escaso por debajo de 800ºC, aumentando hasta alrededor del 20% a temperaturas mayores La disociación térmica del MgCO 3, de mucha importancia en la fabricación de cemento, transcurre de forma análoga, pero a temperaturas más bajas
2.2.4 Reacciones entre fases solidas (reacciones a temperaturas inferiores a las sinterización o clinkerización)
Como ya queda indicado, a partir de temperaturas comprendidas entre 550 y 600ºC comienzan a producirse reacciones entre sólidos, por las cuales se combinan los productos de descomposición del CaCO 3 con los de arcilla, formándose primero y preferentemente compuestos de menor contenido de sal. La formación de aluminato tricalcico (3CaO∙Al2O3) y de ferrito aluminato tetra cálcico [2CaO (Al 2O3∙Fe2O3)],
también presentes en Clinker de cemento portland, comienza aproximadamente a unos 800ºC. CaO∙Al2O3 + 2CaO → 3CaO∙Al2O3 CaO∙Al2O3 + 3CaO + Fe2O3 → 4CaO∙Al2O3∙Fe2O3 CaO∙SiO2 + CaO → 2CaO∙SiO2
Las reacciones entre solidos transcurren en general muy lentamente, pero se pueden acelerar, en particular por: Reducción de tamaño de partículas (aumento de la superficie) Aumento de la temperatura de cocción Distorsión de las redes cristalinas
37
2.2.5 Reacciones en presencia de fase liquida – fundida- (sinterización o clinkerización)
La primera formación de fase liquida (fundida), la cual indica el comienzo de la sinterización – o en el caso de la fabricación del cemento «clinkerización» -, tiene lugar a temperaturas comprendidas entre 1260 y 1310ºC, aproximadamente. Al aumentar la temperatura aumenta también la fase liquida o fundida, alcanzando alrededor del 20 al 30% en masa a 1450ºC dependiendo de la composición química del material. A estas temperaturas ya es posible la formación de Silicato tricalcico (C3S), constituyente principal del Clinker del cemento portland. Al comienzo de la clinkerización existen aún cantidades considerables de CaO sin combinar, junto con silicato bicalcico (2CaO∙SiO2). En
presencia de la fase liquida se disuelve el CaO y el C 2S, facilitándose dentro de ella la difusión de los reactantes y formándose silicato tricalcico (C3S), según la reacción: CaO + 2CaO∙SiO2 → 3CaO∙SiO2 Con la cual se cumple el objeto principal del proceso de clinkerización, a saber, la formación del valioso silicato tricalcico. Esto justifica la necesidad de utilizar altas y costosas temperaturas de clinkerización. Al mismo tiempo, la fase liquida activa también se dan otras reacciones, como por ejemplo las que afectan a las partículas relativamente más gruesas de cuarzo o de caliza Los silicatos tricalcico y bicalcico (C3S y C2S) se encuentran como fases solidas en el fundido. A temperaturas superiores a 1450ºC este contiene la totalidad de Al 2O3 y Fe2O3 del Clinker en formación, y su composición en % en masa es, aproximadamente, la siguiente: 56% CaO, 7% Si 2O, 23% Al2O3 y 14 % Fe2O3. A la temperatura de clinkerización se establece 38
un estado de equilibrio. La viscosidad de la fase liquida es tanto menor cuanto menor es el módulo alumínico, férrico o de fundentes, es decir, cuanto mayor es el contenido de Fe 2O3. Los constituyentes secundarios o minoritarios influyen también en la viscosidad de la fase liquida, aumentándola, por ejemplo los alcalisis; y disminuyéndola, por el contrario, el SO3 y el MgO. Las reacciones en la fase liquida se pueden acelerar, especialmente por: Aumento de la proporción de dicha fase Disminución de su viscosidad Reducción de la proporción de partículas gruesas (de cuarzo) en el crudo
2.2.6 Reacciones durante el enfriamiento Si el Clinker formado en el proceso de sinterización se enfría lentamente, puede invertirse el sentido de las reacciones de equilibrio, con lo cual se puede disolver en la fase liquida una parte del silicato tricalcico que tan decisiva influencia favorable tiene en el desarrollo de las resistencias. Por consiguiente,
un
enfriamiento
demasiado
lento
produce
una
disminución de resistencias del cemento. En un enfriamiento rápido, el cual es deseable, se congela, el equilibrio, y en particular la fase liquida que participa en el mismo, con independencia de las fases liquidas presentes en el, de forma que la composición del Clinker enfriado técnicamente es prácticamente similar a la alcanzada a la temperatura de clinkerización. Al contrario que las fases liquidas ricas en SiO 2, las cuales en su mayor parte se solidifican en forma vítrea, las fases liquidas alumino-ferricas del Clinker portland, ricas en cal, cristalizan totalmente en el proceso técnico de fabricación del cemento, a pesar de su enfriamiento rápido. Por consiguiente, el Clinker técnico de cemento portland representa un equilibro de fusión congelado a la temperatura de sinterización 39
El enfriamiento influye además en el estado de cristalización, y a través del mismo en la reactividad de las fases del Clinker, así como en la propia textura de este. Por ejemplo, un enfriamiento rápido da lugar a cristales muy finos e íntimamente entremezclados de aluminato tricalcico y de ferrito-aluminato tetra cálcico, los cuales reaccionan lentamente con agua. Otros efectos producidos por el enfriamiento rápido son: Mejor molturabilidad por la existencia de fisuras tensionales en el Clinker Menor proporción de alita disuelta, y por lo tanto, mayor cantidad de alita en el Clinker Mayor estabilidad de volumen por menor expansión para contenido de 2.5% ≤ MgO al haber una mayor proporción de
MgO en disolución sólida en las restantes fases del Clinker y permanecer mayor cantidad de MgO libre en forma micro cristalina Por otra parte, un enfriamiento excesivamente rápido en todo el intervalo de temperaturas desde la de clinkerización hasta la temperatura ambiente, da lugar a disminuciones de las resistencias del cemento, si bien por otra parte se han observado aumentos de resistencia al someter al Clinker a un templado corto. La velocidad de enfriamiento en la zona de temperaturas más elevadas parece ser el factor más decisivo. En dicha zona un enfriamiento relativamente lento en condiciones oxidantes, desde la temperatura de clinkerización hasta unos 1400ºC o hasta unos 1300ºC – en el horno- dan lugar a aumentos de resistencias, eventualmente atribuibles a dislocaciones de la red cristalina producidas por la descomposición incipiente de la alita, si bien existen también opiniones en contra de la validez de esta explicación. La velocidad de enfriamiento del Clinker una vez que este ha salido del horno -y por lo tanto, el tipo de enfriador: planetario o de satélites, o de 40
parrilla, por ejemplo-, parece no tener una influencia apreciable en la resistencia del cemento.
2.2.7 Factores que influyen en el proceso de cocción Las reacciones antes mencionadas se hallan condicionadas o indeseablemente
influidas
por
numerosos
factores
químicos,
mineralógicos y físicos. La composición química de los crudos de alimentación de los hornos tiene una gran influencia en el tiempo requerido para la cocción de los mismos. Se puede definir este tiempo como el necesario para que, a una temperatura determinada, un crudo de finura prefijada se cueza en tal medida que solo quede en él un 2% en masa de cal libre. El tiempo de cocción se alarga al aumentar el StC, MS y MF, si bien la influencia de este último es escasa. La relación entre la cal combinada y el modulo silícico MS se muestra como ejemplo en la figura 2.4:
Figura 7. Relación entre el módulo silícico y la proporción de cal combinada de crudos sintéticos compuestos de óxidos puros
Los valores numéricos de ese ejemplo fueron obtenidos en el laboratorio, a partir de crudos sintéticos, y solo deben ser considerados como una aproximación, desde el punto de vista de las condiciones reales de la fabricación industrial del cemento. Los óxidos alcalinos en proporciones superiores a 0.5% en masa actúan retrasando la 41
combinación de la cal en el proceso de cocción, mientras que, por el contrario, contenidos de MgO menores de 2% en masa, y de SO 3 menores de 1% en masa, actúan acelerándola. La composición mineralógica influye, por ejemplo, en la aptitud de los crudos para la granulación y en la cantidad de agua necesaria para las pastas crudas. Los constituyentes mineralógicos del crudo también modifican, entre otras cosas, el comportamiento del crudo en la cocción y el consumo específico de calor necesario para la misma Factores influyentes son en particular las arcillas, según el tipo de sus constituyentes mineralógicos, así como el cuarzo macro cristalino, si bien las distorsiones de las redes cristalinas, las impurezas e inclusiones de los cristales, el tamaño de estos, el crecimiento inter cristalino, la mezcla natural de fases y las adiciones en las materias primas, y otros factores, son influyentes. Las velocidades de las reacciones dependen en general del tamaño de las partículas, es decir, de las superficies reactivas disponibles, por lo cual la finura del crudo debe ser tal que en el proceso de cocción puedan reaccionar lo más completamente posible, incluso las partes más gruesas del mismo. Esta condición la cumplen por lo general los crudos de cemento con residuos máximos de 5 a 20% en masa sobre el tamiz de 90µm, dependiendo de su composición y del empleo de fundentes y mineralizadores, en su caso. La figura 2.5 muestra la influencia del tamaño de las partículas de la caliza en el contenido de cal libre a diferentes temperaturas. Los valores señalados son de laboratorio y solo tienen un carácter indicativo si se trata de trasladarlo a las condiciones reales de la fabricación industrial
42
Figura 8. Influencia del tamaño de las partículas de caliza en el contenido de CaO libre a distintas temperaturas
La homogeneidad de un crudo es condición indispensable para obtener un Clinker de composición uniforme y para conseguir una marcha regular del proceso de cocción A este respecto se debe tener la garantía de que el crudo posee su composición representativa invariable en toda su masa, incluso en volúmenes pequeños del mismo. Si no es así, se forman en el Clinker “nidos”, “racimos” o agrupaciones
locales de fases distintas. Estas agrupaciones pueden consistir, por ejemplo, en acumulaciones de cal libre por una parte (las cuales pueden dar lugar a fenómenos en la hidratación), y por otra parte en acumulaciones de silicato bicálcico (nidos de belita). Ambas acumulaciones darían lugar, en el caso de un material crudo homogéneo, al silicato tri-cálcico (alita), más valioso y conveniente Los llamados mineralizadores (como por ejemplo, el fluoruro cálcico CaF2-espato flúor-) pueden afectar favorablemente al proceso de cocción En resumen, el comportamiento de un crudo en la cocción depende de los siguientes factores: 43
Composición química (estándar de cal, modulo silícico, módulo de fundentes, fase liquida y mineralizadores) Composición mineralógica Granulometría, en particular referida a los tamaños máximos de partículas Condiciones de la cocción (velocidad de calentamiento, especialmente
para
temperaturas
superiores
a
1100ºC,
temperatura máxima de cocción y tiempo de permanencia del crudo a dicha temperatura) El resultado del proceso de cocción es el Clinker de cemento portland, formado por las correspondientes fases del mismo
2.3 EL CLINKER DEL CEMENTO PORTLAND El Clinker de cemento portland consta esencialmente de cuatro fases cristalinas: alita, belita, aluminato cálcico y ferrito aluminato cálcico, íntimamente asociadas entre sí. Contiene además poros y, en la mayor parte de los casos, cal libre (CaO sin combinar), así como magnesia libre: periclasa)
2.3.1 Fases del Clinker El cuadro 2.3 resume los datos más importantes de las fases del Clinker. La figura 2.6 muestra el desarrollo de las resistencias de dichas fases. Junto a ellas, como queda indicado, el Clinker puede contener usualmente cal libre y magnesia libre (periclasa)
44
Tabla 4. Fases del Clinker
45
Figura 9. Resistencia a compresión de las fases del Clinker (relación agua/cemento)
2.3.1.1
Alita (silicato tricálcico)
El silicato tricalcico puro no se encuentra como tal en el Clinker, sino que incluye otros óxidos ajenos a su composición, como, por ejemplo 2% en masa de MgO, junto con Al 2O3, Fe2O3, TiO2 y otros. Las cantidades de estos óxidos presentes en el silicato tricálcico dependen particularmente de la composición del Clinker, de la temperatura de cocción y del proceso de enfriamiento. La inclusión de iones extraños en la alita modifica las propiedades estas; por ejemplo, aumenta en general su resistencia. Enfriado lentamente por debajo de 1250ºC, el silicato tricálcico se puede descomponer en CaO y 2CaO∙SiO 2, especialmente
si contiene iones Fe2+ como consecuencia de una cocción en condiciones reductoras. La alita es cuantitativamente el constituyente más importante del cemento portland, pero también lo es desde el punto de vista de las propiedades del cemento y en particular de la más importante de ellas: el desarrollo de las resistencias. Para que se forme alita en el proceso de cocción es precios que tenga lugar la sinterización
2.3.1.2
Belita (silicato bicálcico)
Tampoco se encuentra silicato bicálcico puro en el Clinker, ya que asimismo contiene otros óxidos incorporados. La belita se halla principalmente en estado sólido a la temperatura de clinkerización y 46
solo en pequeñas proporciones en los Clinkeres con alto estándar de cal. El desarrollo de su resistencia es lento, si bien a largo plazo llega a alcanzar resistencias tan grandes por lo menos como las de la alita. La modificación β de la belita, que es la que predomina en el Clinker, se puede transformar a la temperatura ambiente en la modificación γ, ya que es la más estable, pero que apenas es hidráulica (inversión β-γ). En
esta transformación se produce un aumento de volumen del 10% aproximadamente, esta inversión se puede evitar, esto es, se puede estabilizar la belita β mediante la inclusión de iones extraños dentro de
su red, así como por enfriamiento rápido. Con la tecnología actual de la fabricación de cemento no cabe esperar la desintegración del Clinker Las fases alumínica y ferriticas micro cristalinas son consideradas frecuentemente como “masa intersticial” o “matriz”. Ambas se forman a
partir de la fase liquida o fundida del Clinker, en el enfriamiento de este
2.3.1.3
Fase alumínica
También la fase alumínica (3CaO∙Al2O3 en su estado puro)
contiene
iones extraños. En ella es posible la inclusión de álcalis (Na 2O, K2O) en proporciones que exceden del 5% en masa. La fase alumínica posee una capacidad de reacción muy alta, la cual se incremente aún más por inclusión de álcalis. A fin de frenar la reacción de la fase alumínica al comienzo de la hidratación, es preciso añadir a cada cemento algún sulfato (por ejemplo, yeso) para retardar el proceso de fraguado Junto con la alita y la belita la fase alumínica puede contribuir a aumentar ligeramente la resistencia del cemento a corto plazo (a causa de su elevado calor de hidratación). No obstante, sus propiedades hidráulicas intrínsecas son escasas También se puede representar el compuesto 12C aO∙7Al2O3 en la fase alumínica
47
2.3.1.4
Fase ferritica
La ferritica no posee una composición química constante, sino que constituye un miembro de una serie de disoluciones solidas (cristales mixtos) que teóricamente se extiende desde el 2CaO∙Al2O3 al 2Cao∙Fe2O3
Según sea la disponibilidad de hierro o de aluminio, respectivamente, los miembros de la disolución solida se sitúan más del lado de la serie rico en hierro o del lado rico el aluminio. La composición de esta fase frecuentemente
corresponde
más
o
menos
al
compuesto
4Cao∙Al2O3∙Fe2O3, en el caso del Clinker de cemento portland. La base
ferritica contiene igualmente iones extraños incluidos. Es la fase que comunica su color al cemento, ya que el 2CaO (Al 2O3, Fe2O3) puro es pardo, y el 2CaO (Al 2O3, Fe2O3) que contiene MgO es verde grisáceo oscuro. La fase ferritica reacciona muy lentamente y carece de importancia significativa directa a efectos de las propiedades del cemento
2.3.1.5
Otras fases del Clinker
La mayor parte de los Clinkeres contienen cal libre Cao (cal no combinada) en proporción igual o menor de 2% en masa. Es debida, bien sea a una inadecuada preparación del crudo (demasiado grueso o inhomogéneo), bien a una cocción insuficiente (tal que no permite su combinación con otros óxidos), bien a un enfriamiento lento (que posibilita la descomposición de 3CaO∙SiO2 y del 3CaO∙Al2O3), o bien,
finalmente a un contenido demasiado alto de cal. La cal libre es indeseable, ya que en concentraciones altas (aproximadamente superiores a 2.5% en masa) puede causar expansión en los morteros y hormigones (expansión por cal) CaO + H2O → Ca (OH)2 1 volumen
2 volúmenes 48
Los Clinkeres ricos en MgO pueden contener MgO libre (periclasa). Dado que en las otras fases del Clinker puede haber combando aproximadamente de un 2.0 a un 2.5% de MgO en disolución sólida, un cemento que cumpla con la norma alemana puede contener hasta un 2.5-3% como máximo de periclasa, ya que según dicha norma el máximo total de MgO permisible es del 5% en masa. La proporción de MgO combando con otras fases depende de la composición química del Clinker y de las condiciones de su fabricación. La periclasa es indeseable, puesto que, en proporciones altas, puede producir una expansión semejante a la de la cal (expansión por magnesia). Esta expansión es más maligna que la de la cal, pues a veces sus daños no son detectados sino al cabo de años. La periclasa microcristalina y uniformemente repartida produce expansiones menores que las causadas por cantidades iguales de la misma cuando se presenta en forma macrocristalina y localmente acumulada en nidos. Esto mismo es igualmente valido por lo que respecta a la cal libre y a la expansión que produce. En raros casos se pueden encontrar también en el Clinker, si bien en muy pequeñas cantidades, sulfatos alcalinos y fase vítrea. Por vía de ejemplo el cuadro 2.4 da las composiciones químicas de las fases de un Clinker de cemento portland.
49
Tabla 5 Composición química de las fases de un Clinker de cemento portland, en % en masa, determinada experimentalmente
2.4 MOLIENDA DE CEMENTO 2.4.1 Materiales que intervienen en la molienda de cemento 2.4.1.1 Clinker del cemento portland Todos los cementos, a excepción del cemento aluminoso, contienen Clinker del cemento portland
2.4.1.2
Escorias de horno alto
La arena de escorias (escoria granulada de horno alto) es un material hidráulico latente, es decir, que necesita de un activador para su endurecimiento hidráulico. En la práctica se utilizan como activadores hidróxido cálcico (cal hidrata del Clinker de cemento portland) y sulfatos (yeso, anhidrita). Solo son hidráulicamente activas de forma latente las escorias de horno alto granuladas y vítreas, rápidamente enfriadas, pero no las aterronadas y cristalinas, enfriadas lentamente. 50
Las primeras se obtienen por templado de la escoria fundida, en agua (granulación). Estas deben contener la menor cantidad posible de agua residual, siendo valores aceptables de esta los inferiores a 10%. El tamaño de sus partículas (granulometría) suele ser inferior de 3mm Las propiedades hidráulicas de las escorias están determinadas por su composición química y por su contenido en la fase vítrea, debiendo estar el contenido de vidrio por encima de 90%. Hoy en día existen métodos implantados que hacen posible la obtención de escorias con 95-100% de contenido de vidrio La composición química de las escorias granuladas de horno alto utilizadas
en
la
fabricación
de
cemento
está
comprendida
aproximadamente entre los límites señalados en la tabla 2.4. Se considera que una escoria es apta para la fabricación de cementos siderúrgicos (portland siderúrgico y portland de horno alto) cuando cumple la condición de que:
Sin embargo, no se ha conseguido hasta ahora-ni cabe esperar, según las referencias más recientes-, poder predecir las propiedades hidráulicas de las escorias mediante una formula sencilla y que tenga una validez general, a partir del análisis químico. No obstante, se acepta como valido que las propiedades hidráulicas de las escorias mejoran al aumentar sus contenidos de CaO, MgO, Y Al 2O3, lo cual solo se cumple para contenidos de MgO hasta 1.2% aproximadamente; por otra parte, proporciones de Al 2O3 superiores a 13% mejoran solo las resistencias a corto plazo.
51
Tabla 6. Composiciones químicas de escorias granuladas de horno alto utilizadas en la fabricación de cemento (en % en masa)
Un método más fidedigno para comprobar las propiedades hidráulicas de una escoria granulada de horno alto consiste en preparar, a escala de laboratorio, un cemento de horno alto rico en escoria, por molienda conjunta de esta con Clinker y yeso, y en ensayar dicho cemento en cuanto a sus resistencias, y en cuanto a otras propiedades si fuere necesario. Por vía de comparación se puede preparar y ensayar otro cemento que en lugar de escoria contenga igual proporción de un material inerte (por ejemplo, arena cuarzosa), molido a la misma finura; o bien se puede preparar y ensayar también un cemento portland con el mismo Clinker pero sin escoria a la misma finura
2.4.1.3
Puzolanas
Son materiales que reaccionan con el hidróxido cálcico a temperaturas ordinarias, dando como resultado productos capaces de desarrollar resistencias
(endurecimiento
hidráulico).
Las
puzolanas
más
comúnmente empleadas son las tobas volcánicas. La condición esencial para la buena calidad de las puzolanas es que contengan SiO 2 Y Al2O3 en gran proporción y en la forma más reactiva posible, a fin de que puedan combinarse con la cal Ca(OH) 2. La idoneidad de las puzolanas para la fabricación de cemento se puede determinar mediante ensayos comparativos (como en el caso de las escorias de horno alto), o ben por métodos químicos basados en su capacidad para combinarse con la cal 52
2.4.1.4
Cenizas volantes
Las cenizas volantes, más recientemente llamadas cenizas de combustible pulverizadas, se obtienen por preparación en las instalaciones para la captación del polvo de los gases de hornos o calderas que queman carbón pulverizado, y en particular en las de las centrales termoeléctricas. Constan principalmente de partículas vítreas procedentes de materiales fundidos, en cuya composición predominan SiO2, Al2O3 Y Fe2O3. Estos vidrios son activados por el hidróxido cálcico y experimentan endurecimiento hidráulico, por lo cual la proporción de los mismos en las cenizas debe ser lo más alta posible, mientras que, por el contrario, las partículas de carbón sin quemar, o completamente quemado, deben reducirse al mínimo, ya que son perjudiciales para las propiedades del cemento, y particularmente para las que afectan a la resistencia y a la estabilidad del hormigón. La reactividad en las cenizas es tanto mayor cuanto mayor es su superficie especifica. En las cenizas usuales esta suele oscilar entre 1000 y más de 4000 cm 2/g Blaine, si bien estos valores puede ser falseados, y precisamente desplazados hacia arriba, a causa de la presencia de partículas carbonosas. Los tamaños de partículas de las cenizas están comprendidos, por lo general, entre 0.5 y 200µm. Las cenizas más gruesas se pueden mejorar por molienda, y preferentemente por molturación conjunta con Clinker y yeso para obtener el correspondiente cemento. La cantidad de ceniza añadida al cemento, o molienda conjuntamente con el Clinker, puede llegar a ser hasta un 30% aproximadamente, dependiendo de la calidad de aquella
2.4.1.5
Sulfatos
En la molienda del cemento se añade siempre al Clinker un sulfato, a fin de regular el tiempo de fraguado, retardándolo adecuadamente. El retraso del fraguado es producido por una reacción del sulfato con el aluminato tricalcico que, en otro caso, fraguaría muy deprisa, de 53
manera que cuanto mayor es el contenido de aluminato tricalcico mayor es la cantidad de yeso necesaria. Sin embargo, cantidades demasiado altas de sulfato en el cemento pueden dar lugar a fenómenos de expansión de este, por lo cual se establecen límites superiores, expresados en % de SO 3, para el contenido de sulfato del cemento. Estos límites, se indican en la tabla 2.5. Las impurezas naturales de la piedra natural de yeso (por ejemplo, arcilla, calcita) no merman la calidad del cemento. Dependiendo del contenido de 3CaO∙ Al 2O3 y de
alcalisis, y de la finura de los cementos, existe para cada uno de estos un contenido óptimo de sulfato, que además puede mejorar sensiblemente las resistencias. Para una temperatura dada y constante de hidratación, este contenido óptimo aumenta al aumentar dichas proporciones de 3CaO∙ Al2O3 y de alcalisis, así como también la finura.
A causa de las diferentes solubilidades en agua entre el hemihidrato (alta), el yeso – dihidrato-(media) y la anhidrita II (baja), la naturaleza del compuesto aportador de sulfato incluye también en el contenido óptimo de este, siendo más elevado cuando se emplea anhidrita II. Con el fin de evitar anomalías en el fraguado es recomendable utilizar mezclas de yeso y anhidrita II en proporciones respectivas de 1:1 a 1:8 respectivamente. A este respecto hay que señalar que para cementos ricos en 3CaO∙ Al2O3
y alcalisis, y al mismo tiempo molido muy
finamente, el contenido óptimo de sulfato puede estar alrededor de 5% en masa. Los cementos molidos gruesos, escasos o exentos de 3CaO∙ Al2O3 y pobres en alcalisis precisan de un 2.5% a un 3% en masa de SO 3, aproximadamente, para tener su óptimo de sulfato.
54
Tabla 7 Contenido máximo admisible de SO2 en cemento
2.4.2 Finura de molino y granulometría En igualdad de condiciones una sustancia reacciona tanto más rápidamente cuanto mayor sea su superficie referida a su masa. Por esta razón se muelen, tanto las materias primas para formar el crudo, como el Clinker con las eventuales adiciones. Así pues, un Clinker determinado alcanza un desarrollo más rápido de resistencias tantas más altas cuanto más finamente se muelan, es decir, cuanto mayor será su superficie específica. Por cada 100 cm2/g de incremento de esta el aumento correspondiente de resistencia a 28 días viene a ser de 0.5 a 2N/mm2, y en promedio de 1N/mm2. Esto mismo es cálido, cuando menos, para todas las edades de ensayo de los cementos según las normas. Al cabo de un tiempo mucho mayor (algunos años) los cementos molidos más gruesos llega a alcanzar la misma resistencia que los molidos más finos, ya que después de los 28 días los granulados más
55
gruesos de cemento reaccionan más y más en masa, a partir de su superficie, hasta su hidratación completa. En la molienda del cemento las fracciones más finas del producto se enriquecen en los componentes de molienda más fácil y rápida, por ser más blandos; tal sucede con el yeso y, en algunos casos también con las cenizas volantes añadidas como adición. Por el contrario, las escorias de horno alto se concentran más bien en las fracciones más gruesas. El desarrollo de las resistencias, particularmente por lo que se refiere a las de corto plazo, se mejora notablemente cuando la granulometría del cemento es más estrecha o delimitada, es decir, cuando la proporción de los granos de tamaño medio comprendidos entre 3 y 30µm se sitúa por encima del 50%, a expensas de las partículas más gruesas y más finas, y con tal de que con ellos se mantenga (no disminuya) la superficie especifica del cemento. Esto se explica porque así se logra una hidratación más rápida del cemento. La condición para fabricar un cemento de estas características consiste en disponer de un buen sistema clasificador de partículas (separador de aire de gran selectividad); también con el empleo de coadyuvantes de molienda se suele actuar eficazmente en la consecución de granulometrías ajustadas. Sin embargo, en el caso de los cementos industriales no siempre está clara la relación entre la granulometría (distribución de los granos o partículas por tamaños) y el desarrollo de las resistencias. La figura 2.7 muestra el desarrollo de las resistencias de cementos con diferentes granulometrías
56
Figura 10. Desarrollo de las resistencias en la hidratación de cementos con distintas granulometrías
El Clinker largo tiempo almacenado en condiciones de humedad contiene ya productos de hidratación. Al moler este Clinker dichos productos se acumulan en las fracciones más finas, dando lugar a superficies específicas altas e impidiendo además la prosecución de la molienda de las porciones anhidras del Clinker (por ejemplo, por recubrimiento – almohadillado- de los elementos molturadores), las cuales consiguientemente se acumulan de preferencia en las fracciones gruesas. Por todo ello los valores de la superficie específica obtenidos de la molienda de estos Clinkeres deben ser considerados de un modo distinto del ordinario: en general los cementos de estos Clinkeres requieren una superficie específica mayor que la de los cementos obtenidos de Clinkeres sin ninguna hidratación previa La finura de los cementos se determina por tamizado o por arrastre con aire, con el resultado de la separación de sus partículas por tamaños. En el primer caso el dato de finura se expresa como residuo en % en masa, es decir, retenido por un tamiz normalizado, de abertura o luz de malla dada. Sin embargo, en la mayoría de los casos la finura se determina también por el método de Blaine, expresándose el resultado como superficie especifica en cm 2/g
57
2.4.3 Atmosfera de molino En la molienda de cemento se engendra calor, subiendo a veces la temperatura por encima de los 120ºC. El contenido de agua del yeso (CaSO4∙2H2O) se desprende lentamente ya a unos 40 a 45ºC y rápidamente a 80ºC, con el resultado de la deshidratación parcial (o total por encima de los 110ºC) del yeso, el cual se transforma en hemihidrato
(CaSO 4∙1/2H2O) o en anhidrita III-anhidrita soluble
(CaSO4)(figura 2.8)
Figura 11 Contenido de yeso y de hemihidrato en función de la temperatura de la carga del molino
Los sulfatos cálcicos más pobres en agua que as se forman son más fácilmente solubles que el yeso, y por lo tanto más reactivos. Esta circunstancia puede ser ventajosa para el retraso del fraguado de los cementos ricos en 3CaO∙Al2O3. Por otra parte, al amasar con agua un
cemento de molienda caliente, se forma inmediatamente una disolución saturada de yeso, de la cual precipitan cristales aciculares de dihidrato, que se entrecruzan formando un fieltro y dan lugar al falso fraguado, consistente en una rigidización prematura aunque pasajera de la masa, la cual se elimina sin más que proseguir el amasado. A esta rigidización pueden contribuir también los cristales aciculares de 58
singenita y ettringita de formación rápida, así como los sulfatos alcalinos del Clinker, los cuales reaccionan asimismo rápidamente. En un cemento portland de composición normal el contenido de SO 3 correspondiente al hemihidrato, a la anhidrita III y a los sulfatos alcalinos del Clinker, en conjunto, debe estar por debajo de 2.2 a 2.5% en masa, de manera que en los cementos de horno alto y en los cementos escasos de 3CaO∙ Al 2O3 o exentos del, dicho contenido debe ser aún
menor. Si se rebasan estos límites se puede producir el falso fraguado. Este se puede evitar, aparte de manteniendo el SO 3 por debajo de los limites señalados, prologando el amasado o por sustitución parcial de yeso por anhidrita III La humedad que resulta de la deshidratación del yeso en la atmosfera del molino, así como el agua inyectada en el mismo en determinados casos para la refrigeración de su carga durante la molienda, pueden reaccionar, particularmente con las porciones más finas del cemento obtenido. A causa de ello la capacidad de reacción del aluminato tricalcico se reduce en una parte sustancial; e incluso el desarrollo de la resistencia del cemento puede ser afectado de forma apreciable y negativamente por pérdidas superiores al 10% si las cantidades de humedad que actúan en el molino son mayores. Los cementos ricos en 3CaO∙ Al2O3 y en álcalis son lo más expuestos a esta contingencia
2.4.4 Coadyuvantes de la molienda Se utilizan para la producción de cementos de elevado grado de finura. Su utilidad es mayor a medida que aumenta la finura del cemento que se quiere obtener. A igualdad de finura de este los coadyuvantes de molienda pueden a veces aumentar sustancialmente la producción del molino (Cuadro 2.6). No deben, sin embargo, provocar la corrosión de las armaduras del hormigón, lo cual se debe comprobar mediante ensayos adecuados, cuya certificación debe correr a cargo de los fabricantes de coadyuvantes de molienda. Así como la acción 59
ventajosa de estos productos es categórica en el caso de los cementos portland, son escasas las ventajas que se observan en la molienda de cementos con escorias Tabla 8. Aumento promedio del rendimiento de los molinos de cemento mediante coadyuvantes de molienda
Coadyuvantes de molienda eficaces son lo glicoles (por ejemplo el etilenglicol y el propilenglicol) y las etanol aminas (por ejemplo, la trietanolamina). En general, se añaden en cantidades inferiores a 0.05% en masa. Adiciones mayores (por encima de 0.2% en masa) de trietanolamina pueden rebajar las resistencias a corto plazo, aunque sin afectar negativamente a las resistencias de 28 días. La utilización durante largos años de los coadyuvantes de molienda ha demostrado que estos no ejercen efectos negativos sobre el comportamiento del hormigón a corto plazo
2.5 HIDRATACION DE LOS CEMENTOS (FRAGUADO, ENDURECIMIENTO Y RESISTENCAS 2.5.1 Generalidades La hidratación es un proceso en el cual el agua se combina con las sustancias que se hidratan. En la hidratación del cemento tienen lugar una consolidación, es decir, el paso de un sistema inicialmente líquido o plástico (en este caso la pasta de cemento) a un estado sólido (la pasta endurecida). En la práctica, la consolidación tiene lugar en dos fases o etapas: la de fraguado y la de endurecimiento. Se produce primero el 60
fraguado (rigidización), después del cual queda un material solido aunque todavía no resistente, el cual va tomando resistencia progresivamente en la segunda etapa del endurecimiento. El paso del fraguado al endurecimiento transcurre gradualmente. En la hidratación, y por lo tanto en la consolidación de los cementos, tiene lugar simultánea y/o sucesivamente procesos de diversa naturaleza, los más importantes de los cuales son los siguientes: Reacciones químicas, especialmente de hidratación y de hidrolisis Procesos de disolución y cristalización, en los cuales se produce la formación de nuevos compuestos hidratados de naturaleza cristalina (las fases hidratadas), a partir de disoluciones sobresaturadas y por procesos topo químicos Procesos interfaciales en los que fuerzas de atracción entre superficies-adherencia-producen la ligazón de los constituyentes de la pasta de cemento y en su caso del hormigón Las reacciones de hidratación son exotérmicas, es decir, en ellas se desprende calor. El desprendimiento de calor en el endurecimiento de un cemento llega a alcanzar, en condiciones adiabáticas, un máximo al cabo de 1 a 3 días, disminuyendo después. La cantidad de calor desprendido, en relación con el tiempo depende del tipo de cemento, y en particular de las fases existentes en el mismo, de la eventual presencia de adiciones (escorias de horno alto, puzolanas) y de la finura El resultado final de las reacciones de hidratación es un producto duro, de alta resistencia. La de la pasta endurecida es debida, en primer lugar, a su estructura interna, en la cual intervienen decisivamente la configuración (forma y tamaño) de los productos de la hidratación (las fases hidratadas), y la ordenación espacial de estos, así como su grado de compacidad o densidad aparente (porosidad). El agua añadida, necesaria para la hidratación, se combina químicamente como tal agua de hidratación, o formando hidróxidos. La cantidad de agua que 61
se precisa para ello es aproximadamente de 30% como máximo, referida a la masa de cemento. Además de esta agua combinada químicamente hay otra agua físicamente unida (adsorbida) en las grandísimas superficies de las fases hidratadas. Aún hay otra agua presente como agua capilar en los espacios vacíos de la pasta de cemento. Cuanto mayor es el contenido de este gua capilar (la cual por evaporación deja libres los poros capilares), menor es la resistencia mecánica, la resistencia química y la resistencia al hielo de la pasta de cemento, ya que dichos poros aumentan su permeabilidad al agua. Esto es también aplicable a los morteros y hormigones. La figura 2.9 muestra las caídas de resistencia al aumentar la relación a/c
Figura 12. Relación entre la resistencia a compresión a 28 días, la relación agua/cemento, y la categoría resistente
del cemento
62
La resistencia final de la pasta de cemento en condiciones normales de endurecimiento (a temperatura ordinaria y sin presión), en el caso más favorable puede llegar a alcanzar unos 200N/mm 2 según experiencias de laboratorio. El factor más decisivamente influyente en el desarrollo de las resistencias es la porosidad capilar (y con ella la relación a/c y el grado alcanzado por la hidratación, así como el progreso de la misma), siendo factores de influencia secundaria la composición del cemento y las condiciones del endurecimiento del mismo. Esta resistencia final no se llega a alcanzar, en general, en condiciones prácticas reales En la práctica, las resistencias de los morteros (con áridos ≤4 mm) y de los hormigones (en general con áridos de tamaños <16mm, <32mm, o <63 mm) ejercen influencia, especialmente los siguientes factores: Tipo y calidad del cemento Relación a/c (proporciones en masa) Áridos (tipo, resistencias, forma, superficie, cantidad, distribución por tamaños) Adiciones y aditivos en su caso Compacidad y curado Temperatura y edad
2.5.2 Hidratación de las fases del Clinker Para proceder a una explicación más detallada de la hidratación es preciso tener en cuenta las cuatro fases principales del Clinker: alita, belita, aluminato y ferrito. En general, las reacciones de hidratación se pueden representar de una forma esquemática simple, mediante la siguiente reacción: Fases hidratadas del Clinker de alto contenido energético + agua →
fases hidratadas de bajo contenido energético + energía (calor de hidratación) 63
El progreso de las reacciones se puede medir en función de los nuevos compuestos que se forman, del calor desprendido en la hidratación, del agua combinada químicamente y del desarrollo de la resistencia Son particularmente importantes las reacciones de hidratación del aluminato y la alita. La belita reacciona del mismo modo que la alita, mientras que el ferrito no tiene una gran importancia en cuanto a los efectos de la hidratación
2.5.2.1
Aluminato
En ausencia de yeso el aluminato reacciona muy rápidamente: 3CaO∙ Al2O3 + 6H2O → 3CaO∙ Al2O3∙6H2O (1)
También reacciona con gran rapidez en presencia de hidróxido cálcico Ca (OH)2 , el cual se forma en la hidratación de los silicatos cálcicos (alita y belita): 3CaO∙ Al2O3 + Ca (OH)2 + 12H2O → 4CaO∙ Al2O3∙ 13H2O (2)
Ambas reacciones producirán un fraguado demasiado rápido del cemento, en evitación de lo cual tiene lugar la adición de sulfato (yeso, anhidrita II) en la molienda del Clinker. En presencia de sulfato la reacción transcurre así: 3CaO∙ Al2O3 +3(CaSO4∙2H2O) + 26H2O → 3CaO∙ Al2O3∙ 3CaSO4∙32H2O (3)
En las reacciones 1 y 2 se forman aluminatos cálcicos hidratados macro cristalinos y tabulares, que dan lugar muy rápidamente a una estructura comparable con la de un castillo de naipes, la cual posee una cierta resistencia que da como resultado el principio del fraguado. Sin embargo, en la reacción 3, esto es, en presencia de sulfato, se forma en primer lugar ettringita finamente cristalina. Esta se deposita como película delgada sobre la superficie de las partículas de cemento durante las primeras horas de hidratación. La película así formada 64
permite aun el deslizamiento reciproco de unas partículas sobre otras, con lo cual la pasta de cemento permanece en estado plástico. El fraguado solo comienza, pues, cuando la ettringita forma largos cristales aciculares al cabo de algunas horas, los cuales crean puentes a través de los espacios entre las partículas de cemento, entretejiendo estas entre sí. (Figura 2.10). El trisulfato (ettringita) se transforma después en mono sulfato. El contenido de sulfato del cemento debe ser el necesario para que se consuma según la reacción 3, y en un periodo de tiempo no superior a las 24 horas después del amasado. Un exceso de sulfato puede causar – asimismo según la reacción 3- fenómenos expansivos en los morteros y hormigones, en evitación de los cuales se prescriben contenidos máximos de SO3 en los cementos
Figura 13. Pasta hidratada de cemento con cristales aciculares de ettringita (micrografía obtenida con microscopio
electrónico)
2.5.2.2
Alita
La alita o silicato tricalcico reacciona con agua para forma silicatos cálcicos hidratados (fase CSH) pobres en cal, con desprendimiento simultaneo de hidróxido cálcico. La belita (silicato bicalcico) reacciona de forma análoga. La reacción de la alita, por ejemplo es: 65
6(3CaO∙SiO2) + 18H2O →5CaO∙6SiO2 ∙5H2O + 13 Ca (OH) 2 (4)
Los silicatos cálcicos que se forman (Figura 2.11) varían en su desarrollo cristalino (laminar, tubular, fibroso, acicular, etc.) y en su composición, según las condiciones de formación (relación a/c, temperatura, etc.). No obstante, siempre son finamente cristalinos y constituyen los principales aportadores de resistencia a la pasta de cemento. Puesto que la superficie especifica de esta es extremadamente elevada – esto es, del orden de 3,000,000 cm 2/g- comparada con la del cemento, que es solo de unos 3000 cm 2/g, la resistencia de la pasta hay que atribuirla a la cooperación de poderosas fuerzas de adhesión (fuerzas de atracción electrostática que actúan entre las fases hidratadas sumamente pequeñas, formadas a su vez por uniones iónicas), y de la estabilización mecánica de la masa por la reticulación mutua de los nuevos compuestos cristalinos formados
Figura 14 Silicatos cálcicos hidratados en la pasta hidratada de cemento
El hidróxido cálcico que si mismo se forma según la ecuación 4 crea en la pasta fresca de cemento un medio fuertemente básico (pH>12). Este 66
valor alto de pH impide la corrosión del hierro y del acero en el hormigón, lo cual supone una protección de las armaduras de este, permitiendo su empleo en hormigones armados y pretensados. Esta protección de las armaduras contra la corrosión se puede perder con el tiempo por carbonatación y otras influencias. La figura 2.12 muestra esquemáticamente la secuencia de formación de las fases hidratadas y el desarrollo de la estructura en los procesos de fraguado y endurecimiento del cemento portland
Figura 15 Representación esquemática de la formación de las fases hidratadas y del desarrollo de la estructura en la hidratación del cemento
2.5.3 Hidratación de los cementos siderúrgicos y puzolanicos El endurecimiento de los cementos que contienen escorias o puzolanas consta de dos sistemas de reacciones parciales. Según uno de ellos, la parte de cemento portland reacciona como queda indicado anteriormente; y, de acuerdo con el otro, los materiales molidos conjuntamente con el Clinker son activados por el hidróxido cálcico 67
formado en la hidratación de los silicatos cálcicos alita y belita, de manera que experimentan a su vez un endurecimiento hidráulico. Los productos resultantes de este son semejantes a los del endurecimiento del cemento portland, si bien el cemento con escorias endurecido contiene menos hidróxido cálcico que el cemento portland. Los cementos con escorias y puzolanas endurecen más despacio y desprenden su calor de hidratación más lentamente que los cementos portland
VI. RELACIONES ENTRE LA COMPOSICION QUIMICA, EL CONTENIDO DE LAS FASES Y LA RESISTENCIA DE LOS CEMENTOS PORTLAND
Es de esperar que las tres propiedades: composición química, contenido real de fases y resistencia de los cementos portland estén al menos relativamente relacionadas entre sí. Esto se basa, en primer lugar, en que los nuevos compuestos formados en el proceso de clinkerización (las fases anhidras del Clinker) dependen de la composición química de las materias primas; y, en segundo lugar, en que los productos de hidratación que producen la resistencia (las fases hidratadas del cemento) se forman por reacción con agua de las fases anhidras presentes en el Clinker Sin embargo, unas relaciones claramente definibles entre las tres propiedades citadas, a lo sumo son de esperar cuando en la fabricación de los cementos se cumpla las condiciones mínimas siguientes: Suficiente finura y homogeneidad del crudo, a fin de que durante el proceso de cocción pueda tener lugar una reacción completa para la formación de las fases del Clinker, y se de una molienda al Clinker tal que conduzca a las mismas superficies reactivas de los cementos (iguales superficies especificas) para cantidades constantes de yeso añadidas. 68
Tanto los cementos de laboratorio como los industriales presentan, por lo general, las tendencias indicadas en las figuras.
Gráfico 1 Resistencias a compresión relativas, correspondientes a variaciones del módulo sílico
Gráfico 2 Resistencias a compresión relativas, correspondientes a variaciones del módulo de fundentes
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Gráfico 3 Resistencias a compresión relativas, correspondientes a variaciones del módulo del estándar de cal
El aumento de resistencia al aumentar el modulo silícico es evidente, lo cual hay que atribuirlo a la considerable elevación de la proporción de silicatos, correspondiente a una disminución de las proporciones de aluminatos y de ferritos. El aumento algo mayor de las resistencias a corto plazo es explicable por el incremento la proporción de alita. La elevación del módulo alumínico, férrico o de fundentes afecta solo a la resistencia a corto plazo, lo cual se explica por el aumento considerable del aluminato y la consiguiente elevación notable del calor de hidratación, que contrarresta la menor proporción de alita Con el incremento del estándar de cal las resistencias a compresión aumentan de forma decisiva, y más las de corto que las de largo plazo, siendo causa de ello la fuerte elevación del contenido de alita De las figuras se deduce también que las resistencias a compresión a 28 días aumentan en un 10% aproximadamente, al aumentar el estándar de cal en unas 5 unidades, o el modulo silícico en alrededor de 0.3. Este resultado no se puede conseguir mediante la variación del módulo de 70
fundentes. (Es preciso señalar
que los valores numéricos expuestos
solamente dan unas indicaciones aproximadas, y pueden diferir considerablemente de los valores reales, según las producciones de las distintas fabricas). Las resistencias a compresión relativas representadas en la figura 2.16 (referidas en cada caso a las respectivas resistencias a 2 días =100%) permiten reconocer los diferentes cursos del endurecimiento posterior. Tanto para valores más bajos del módulo silícico MS y del módulo de fundentes MF, como para valores asimismo inferiores de estándar de cal StC, las reacciones de hidratación más diferidas contribuyen aun a aumentar las resistencias. (Los esquemas de la figura 2.16 también son simplemente indicativos de tendencias generales)
Gráfico 4 Resistencias a compresión relativas, en función del estándar de cal StC, del módulo silícico MS y del módulo de fundentes MF
Estas tendencias claras pueden ser sustancialmente modificadas por la incorporación de nuevos elementos. Como ejemplos se señalan las influencias del MgO y de K 2SO4 presentadas en las figura 2.17.
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Gráfico 5 Influencia del contenido creciente del MgO en el desarrollo de las resistencias a compresión y en el contenido de fases del Clinker
Estas influencias de los constituyentes secundarios, ocasionadas por las características de las materias primas, así como por diferencias en las condiciones de fabricación (finura y homogeneidad del crudo, condiciones de cocción y enfriamiento, molienda del Clinker y ensilado del cemento), son la causa de que no sea posible hacer predicciones exactas acerca de los desarrollos de las resistencias de los cementos basadas en cálculos sencillos (formulas), bien sea a partir de la composición química, o del contenido de fases de cualquier Clinker comercial. No obstante, si es posible mantener aproximadamente constantes los contenidos de elementos secundarios, así como las condiciones de fabricación, como sucede con frecuencia en la producción de una fábrica determinada-al menos durante un cierto periodo de tiempo-, entonces pueden existir relaciones claras entre resistencias y composición. En estos casos, y siempre que se mantengan como mínimo las tres condiciones señaladas al principio, es posible predecir con suficiente exactitud la resistencia a compresión a 28 días según las normas, mediante el índice de resistencia dado por la fórmula de Knöfel: F28 = (3* alita) + (2* belita) + aluminato + ferrito
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Para poder hacer esta predicción aplicable a la producción de una fábrica determinada hay que establecer previamente una curva de correlación que tenga como coordenadas los índices de resistencia F 28 y las correspondientes resistencias reales a compresión. Para ello es precios determinar cuantitativamente (por vía microscópica o mediante rayos X) el contenido de fases de por lo menos 10 cementos (o de Clinkeres) de la fábrica correspondiente, tales que sean entre si lo mas distintos posibles, así como determinar también sus respectivas resistencias a compresión a 28 días, se aun las normas. Mediante la curva de correlación se puede ya predecir la resistencia, calculando el índice de resistencia F28 a partir del contenido de fases determinado cuantitativamente en cada caso. Las curvas de correlación deben ser comprobadas de vez en cuando.
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3. PROCESO DE FABRICACIÓN DEL CEMENTO Existen dos métodos para la fabricación de cemento portland: seco y húmedo. En ambos métodos el proceso comienza por la explotación de los bancos de materia prima y su posterior transporte de la cantera a la planta, en donde da inicio el proceso de fabricación el cual se divide generalmente en las siguientes etapas: TRITURACION MOLIENDA DE CRUDO HOMOGENEIZACION ENFRIAMIENTO NOLIENDA DE CEMENTO En ambos procesos ya sea húmedo o seco las etapas son las mismas siendo estas diferenciadas en las etapas de Molienda de crudo, Homogeneización y Calcinación; sin embargo el método seco es el más usado en todo el mundo debido a os importantes ahorros de energía obtenidos en la etapa de calcinación, lo que lo vuelve un proceso más eficiente
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Figura 17 esquema general del proceso de fabricación de cemento vía húmeda y vía seca
Figura 16.fabricación del cemento
3.1 PROCESO VÍA SECA
3.1.1Trituración Las materias primas procedentes de la cantera suelen llegar con un con un tamaño promedio máximo de 1.5 cm e inician un proceso de transformación en las trituradoras, donde se reducen hasta un tamaño 75
que permita realizar una mezcla más homogénea y puedan transportarse por los equipos convencionales como bandas transportadoras. La primera etapa de trituración se efectúa en quebradoras grandes del tipo quijada o rotatoria. La rotación secundaria reduce el material hasta 33 mm, esta se efectúa generalmente en trituradoras de cono rotatorio o de martillo
Figura 18 trituradora cónica de piedra
Para aumentar la eficiencia de la molienda se recurre a sistemas que incluyen la clasificación por tamaño de la partícula del material que sale del molino, de tal manera que la fracción fina pueda pasar a la siguiente etapa del proceso, en cambio la que aún está demasiado gruesa regresa al molino. Los clasificadores de tamaño de partícula se basan en general en los principios de decantación o ley de Stokes, según la cual, si se tienen partículas sólidas dentro de un fluido las de mayor tamaño se sedimentan con mayor rapidez separándose en esta forma para regresarlas al molino. El material que sale de los molinos se llama “mezcla cruda” o “crudo”
simplemente el cual ya reúne la composición química requerida para el cemento que se desea producir y el cual tiene un retenido de aproximadamente 16-18% en el tamiz de 90 mm y una humedad de menos de 1%
3.1.2 Homogeneización Cuando el material crudo sale de los molinos se envía a los silos de homogeneización en donde se homogeneiza y se ajusta a los valores de composición requeridos. Los silos son enormes depósitos cilíndricos que consisten de una o más etapas a las cuales se les inyectan aire a presión 76
hacia el interior, el cual se reparte en el fondo del silo de varias secciones; provocando una agitación continúa del material molido. Esto permite obtener una composición más uniforme del crudo, con menos desviación de su composición química lo que conduce a producir una vez que se someta al proceso de calcinación, un Clinker más homogéneo.
3.1.2.1 homogeneización neumática del crudo El fundamento de los sistemas de homogeneización neumática del crudo seco consiste en su fluidización diferencial dentro del silo de homogeneización haciendo pasar aire a través del lecho de crudo. El elemento básico de este procedimiento lo constituyen las cajas de distribución de aire o cajas de aireación con que se dotan los fondos de los silos
Figura 19 diagrama de caja de aireación
La caja de aireación de aire es un sencillo y practico elemento fabricado en acero en forma de compartimento cerrado o caja, por la que se insufla el aire a presión por la parte inferior a través de una placa porosa, que constituye la parte superior de la caja la cual es permeable al paso del aire e impermeable al paso del crudo. El componente de las cajas de distribución de aire son las placas micro poroso que pueden ser de: -
Material cerámico Metálicas de composiciones diversas Tejidos textiles de diversas fibras
A través de las placas porosas se impulsa el aire o medio fluorizado a presión sobre el crudo engendrando en su seno finísimas corrientes de aire con lo cual el crudo pasa a un estado de pseudoliquido. 77
Figura 20 defectos de fluidización: a)- p erforación del lecho b)-burbujeo y c)- fraccionamiento del lecho
En general el sólido y el fluido se encuentran uniformemente distribuido en el lecho es decir que hay una homogeneidad macroscópica, pero esto no siempre ocurre existiendo defectos de fluidización como se muestran en la figura 3.3 La perforación del lecho se puede presentar cuando las partículas sólidas son de forma irregular y muy densa y el fluido es un gas. El gas o vapor tiende a abrirse paso por el lecho a través de canales o perforaciones longitudinales que dificultan la consecución de la fluidización. En el caso de usar gases una parte de ellos puede reunirse en burbujas y dar al lecho el aspecto parecido al de un fluido en ebullición, la aparición de este fenómeno suele ir seguida de la reunión de burbujas en su camino ascendente lo que produce unas burbujas de gas que acaban por fraccionar o seccionar el lecho. El proceso más empleado es el Fuller el cual consiste en mezclar las materias primas neumáticamente en una sección dividida en cuadrantes. Cada uno de los cuadrantes de la serie actúa como cuadrante de mezcla según cierta secuencia, mientras que los otros tres lo hacen como cuadrantes de aireación La aportación total de aire la suministran dos compresores, uno para el aire de mezcla y el otro para el de aireación. El volumen total de iré 78
Figura 21 representación esquemática del sistema de Homogeneización por cuadrantes
para la mezcla alcanza el 75% y el aire para los tres cuadrantes restantes el otro 25%. La homogeneización por aire siguiendo este sistema de cuadrantes se puede aplicar a silo de cualquier diámetro.
3.1.3 Calcinación En las etapas de calcinación se efectúa la reacción de sinterizacion de las materias primas finamente molidas y homogeneizadas previamente. En el horno, el material crudo no llega a un estado de fusión completa, si no de semi-fusión además de sufrir cambios químicos que lo convierten en un aglomerado compuesto de una mezcla de silicatos. Al producto de la calcinación se le denomina Clinker y constituye del 70 al 97% del cemento Portland, según el tipo y por lo tanto representa la parte más importante en todo el proceso de fabricación. La reacción de formación de Clinker se explica en las siguientes etapas:
Deshidratación : Consiste en eliminar la humedad que contenga el crudo - Descarbonatacion: En donde se lleva a cabo la eliminación de CO2 del carbonato de Calcio (CaCO 3) para transformarlo en oxido de Calcio (CaO) a una temperatura alrededor de 900 grados Celsius. Este proceso es llevado a cabo por los gases provenientes de la combustión - Clinkerizacion: A una temperatura aproximadamente de 1440 grados Celsius, la mezcla rica en CaO contiene en menor proporción los óxidos de Aluminio Al 2O3, silicio SiO2, y hierro Fe2O3 se sobrecalienta hasta la sinterizacion y tiene una consistencia viscosa, se manifiesta por una licuefacción de los componentes del Clinker. La calcinación da origen a la formación de silicatos -
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de los óxidos anteriormente mencionados los cuales forman las fases minerales del Clinker - Enfriamiento: este es llevado a cabo un poco antes de la salida del material del horno y consiste en solidificar los compuestos del Clinker que aún se encuentran en estado líquido. La industria del cemento emplea para la calcinación exclusivamente hornos rotatorios, constituidos por granes cilindros rotatorios de acero, forrados en su interior con un tabique refractario y en unas secciones con concreto aproximadamente de 15 cm de espesor, para resistir elevadas temperaturas de hasta 1500 grados Celsius que se requieren para la producción del cemento Los hornos presentan una inclinación con respecto a la horizontal de aproximadamente 4%, el crudo se alimenta por la parte superior y conforme va descendiendo se va encontrando con temperaturas más altas hasta llegar al extremo inferior donde se encuentra el quemador.
Figura 22 diagrama de un horno rotatorio donde a la izquierda se aprecia el el sistema de suministro de crudo además de un sistema de precalentamiento
En la actualidad se encuentran 4 tipos de hornos de calcinación para la industria de cemento las cuales son: -
Horno Húmedo Horno largo seco Horno con precalentador Horno con precalentador y precalcinación 80
El horno largo fue descrito anteriormente, los otros dos tipos constan de equipos adicionales para aprovechar al máximo todo el calor generado durante esta etapa, mejorando así el consumo de combustible frente al horno largo. El horno con precalentador incluye una serie de ciclones dispuestos verticalmente de varias etapas, todo el conjunto de ciclones está instalado en una llamada torre de precalentamiento la cual está conectada directamente a la garganta de alimentación al horno. Los gases calientes resultado de la combustión producida en el interior del horno, estos hacen su recorrido por las etapas de la torre hasta llegar a la última etapa donde la abandona para llegar al colector de polvo, con esto se aprovecha el calor de los gases provenientes del horno. Cuando el material crudo se introduce en la parte superior de la torre directamente a los ciclones este es precalentado al ponerse en contacto con los gases calientes que viajan a contracorriente. Cuando la harina cruda llega a lo que es propiamente la garanta del horno tiene una temperatura superior a los 800°C con lo que el consumo de combustible se reduce considerablemente El horno con pre calcinado tiene, además de la torre de precalentado, integrado un quemador quemador auxiliar auxiliar el cual se localiza en la entrada entrada al horno y su función es elevar rápidamente la temperatura del material crudo La calcinación de las materias primas en el horno debe ser perfecta para que prácticamente todo el CaO producido por la Descarbonatacion de la piedra caliza, alcance a combinarse con los óxidos de aluminio y silicio provenientes de la arcilla con el óxido férrico del mineral de hierro. Los hornos bien controlados producen Clinker con un contenido de cal libre que no excede el 1.5% ya que un residuo de cal mayor al 2% produce efectos nocivos en el cemento, entre los cuales se encuentra la expansión inmoderada en el concreto ya elaborado
3.1.4 Enfriamiento La función de los enfriadores en la industria del cemento es permitir a un Clinker un enfriamiento que va desde los 1000°C desde que abandona el horno hasta unos 150°C con el objeto de facilitar su transporte por bandas transportadoras además de que el Clinker debe contar con una temperatura óptima para su posterior molienda 81
3.1.5 molienda de cemento El último paso en la fabricación general del cemento es la molienda final que consiste en que el Clinker, calcinado y frio se somete se somete a la molienda con una pequeña adición de yeso natural sin calcinar hidratado y dosificado al 5% el cual sirve para el control del fraguado La dosificación al igual que la molienda en crudo se lleva a cabo por medio de básculas dosificadoras que suministran Clinker y yeso por separado de acuerdo a la proporción que establece el laboratorio para asegurar la calidad del cemento. La finura del producto terminado se controla mediante los siguientes métodos: el porcentaje retenido en el tamiz No 325 (44 micras) ASTM C-340 y usando la superficie especifica BLAINE ASTM C-204. Por lo general el cemento se muele hasta que alcanza un retenido menor al 10% sobre el tamiz de 44 micras, la molienda de cemento se efectúa todavía en la mayoría de fábricas en molinos de bolas, similares a los empleados en la molienda de las materias primas, aunque actualmente se utilizan molinos más eficientes como el molino autógeno y el molino de rodillos. Es común rociar agua a presión en el interior de los molinos de cemento durante la molienda con el fin de evitar que la temperatura se eleve a más de 110°C. Trabajar con temperaturas mayores a esta en el interior del sistema de molienda provoca una deshidratación prematura del yeso y por lo tanto su inhibición para retardar el fraguado del cemento Una vez que el producto cuenta con la finura requerida se envía a los silos de producto terminado para su posterior envase en sacos de 50 kg o para su almacenamiento a granel
82 Figura 23. Diagrama de flujo del proceso en vía seca
3.2 PROCESO VÍA HÚMEDA
3.2.1 trituración La trituración se realiza por impacto y por compresión, la piedra caliza y el barro requieren ser triturados y molidos, mientras que la escoria de hierro es solamente molida. El barro es reducido en su tamaño mediante una trituradora de martillos La trituración de caliza consta de varios pasos para llegar a un tamaño de partícula relativamente gruesa (3-5 cm de diámetro), por lo que realiza en tres etapas
Trituración primaria: se lleva a cabo mediante un triturador giratorio, los cuales son muy usados como desmenuzadores previos en la industria de cemento. En estos equipos la reducción de los materiales se lleva a cabo principalmente por la aplicación de fuerzas compresivas, pero también por fuerzas de flexión en donde se reduce el material hasta un rango entre 12-15 cm.
Trituración secundaria: es muy común que se realice por medio de un triturador de cono o giratorios, en este caso la trituración se realiza por presión y también parcialmente por flexión. En estos trituradores se obtiene el tamaño de material deseado condicionando la abertura de salida de material, del cual es apropiado un tamaño de 4-6 cm
Trituración terciaria: esta es realizada como la segunda etapa
3.2.2 molienda La cantidad de materia cruda necesaria se calcula con base de los requerimientos del horno considerando el tiempo para el mantenimiento del molino. Los molinos de bolas son los más utilizados en esta industria, estos son cilindros de acero rotatorios, en donde se realiza el desmenuzamiento del material por el movimiento de los cuerpos moledores. Por el giro del cilindro del molino, el montón formado por los elementos moledores y el material se eleva hasta un valor óptimo para su acción molturadora. La molienda se realiza por choque y rozamiento entre los cuerpos moledores y las paredes blindadas del molino
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Figura 24. Esquema de un molino de bolas
En el proceso vía húmeda se emplean en molinos de circuito abierto para molienda de materias primas y es aquí en donde se adiciona agua al material. El barro y la escoria se muelen juntos para luego ser mezclados con la caliza y posteriormente hacer la dosificación de componentes de crudo
3.2.3 Homogeneización La homogeneización consiste en mezclar todos los materiales crudos en tanques con agitación continua para lograr mayor uniformidad y posteriormente determinar su composición y dosificar la cantidad necesaria de elementos para elaborar un tipo determinado de cemento, la mezcla ya homogeneizada es transportada por un ducto hacia los hornos para llevar a cabo el proceso de Clinkerizacion mediante su calcinación.
3.2.4 Clinkerizacion La calcinación de la pasta cruda para obtener el Clinker de cemento portland se lleva a cabo en hornos rotatorios. Los hornos húmedos tienen como característica que son alimentados por una pasta cruda que contiene de 30-40% de agua. El agua debe ser eliminada del material precalentando antes de que comience el proceso de Clinkerizacion donde esta es evaporada casia a la entrada del material al horno. Un horno húmedo es cilíndrico recto, dispuesto algo inclinado cuya longitud varía entre 100-120 m provisto en su interior de cadenas que realizan la transferencia de calor y en su exterior tiene aros de rodamiento. El material se introduce en el horno por su extremo superior, de tal manera que se propicia una caída del mismo, y al rotar el horno el material forma una cortina que facilita el proceso de Clinkerizacion. 84
En el extremo inferior del horno está colocado un quemador provisto de esperas. El horno húmedo tiene caracterizada varias zonas en las que se llevan a cabo diferentes fenómenos. Una flama producida por la combustión es la encargada de efectuar la Clinkerizacion por emisión de gases que tiene diferentes temperaturas a lo largo del horno al igual que el material en proceso. Presentados en la tabla 3.1 Tabla 9 zonas que caracterizan un horno húmedo
Zona Secado Precalentado Descarbonatacion Clinkerizacion Flama
%humedad crudo
Temperatura (°C)
30-35 10-15 20-25 15-20 2-3
100 100-550 550-1100 1200-1400 1400-1350
En el proceso de secado se realizan dos operaciones de transferencia de calor y de masa. La transferencia de calor se lleva a cabo de los gases de salida hacia el material y la transferencia de masa se efectúa al evaporarse al agua del material y que es arrastrada por los gases de salida o de combustión. Son tres las operaciones básicas de secado del crudo: -
Precalentado de la pasta Evaporación del agua libe desde la superficie material Evaporación de la humedad retenida por la acción de adsorción y capilaridad por el material
El secado no se inicia hasta que el material ha alcanzado una temperatura superior a los 70-75°C. Debajo de esta temperatura el vapor contenido en el gas se condensa y entra en el material elevándose su contenido de humedad. Uno de los factores que afectan la velocidad del secado es la naturaleza y diseño de los accesorios que se insertan al horno. Los hornos de este tipo pueden estar provistos de cadenas en forma de espiral que realiza el intercambio de calor y son los más usados. El sistema de cadenas en espiral consiste en cadenas colgadas en forma de cortinas donde el avance de este accesorio es en dirección opuesta a la rotación del horno. Los gases de salida del horno son producto de la combustión de combustóleo o gasóleo, de la Descarbonatacion de los materiales y 85
vapor de agua proveniente de la pasta. Estos gases tienen una temperatura aproximada de 250°C y son succionados por un ventilador de tiro inducido el cual los hace pasar a través de electro-filtros que detienen las partículas de polvo, una vez limpios son expulsados a la atmosfera
3.2.5 Enfriamiento El enfriamiento del Clinker es una operación muy importante, pues este contribuye a las cualidades de resistencia del mismo. Se puede llevar a cabo mediante un enfriador de parrilla que emplea aire. En este se produce un intercambio térmico muy bueno entre el aire de refrigeración y el Clinker caliente; el enfriamiento se realiza en una corriente transversal y a contracorriente.
El enfriador está constituido por cuatro compartimentos, cada uno de los cuales tiene instalado un ventilador de tiro forzado. En estos compartimentos se encuentra una serie de placas de parrilla alternativamente fija y móvil. El Clinker de pequeñas partículas, que corre por las ranuras abiertas de placas, cae a las cámaras de aire de donde es retirado. Al final de la parrilla de barras inclinadas se encuentra un triturador de martillos que desmenuza el Clinker de mayor tamaño. El aire del primer compartimento sale de este con la temperatura más alta que la correspondiente a los otros, por esta razón es empleado como aire para la combustión y se le llama aire secundario. El Clinker que sale del cuarto compartimento tiene temperaturas cercanas a los 100°C y es llevado mediante transportadores hasta los depósitos de molinos para ser pulverizados posteriormente
3.2.6 molienda La molienda del Clinker al igual que el crudo, se lleva a cabo en molinos de bolas (pero de circuito cerrado) cuyo funcionamiento se describió anteriormente. El Clinker se muele junto con el yeso o material puzolanico dependiendo de las características requeridas para obtener el cemento el cual se transporta de ahí a los silos de almacenamiento. 86
ANÁLISIS DE LOS PROCESOS Un ves descritos los procesos de obtención del Clinker, se mencionan las ventajas que tiene el proceso seco con respecto al húmedo 1- Los requerimientos de energía para el proceso vía húmeda son de 1860 kcal por cada kilogramo de Clinker producido, mientras que en el proceso seco se requieren 950 kcal. Los altos requerimientos de energía para el proceso húmedo se deben a la enorme cantidad de agua que debe ser evaporada de la mezcla de crudo 2- La dosificación de los compuestos del crudo seco es significativamente más fácil que la de los componentes húmedos porque son más manejables debido a que se mueven por aire y en pocas ocasiones se muestran obstrucciones en las tuberías, mientras que una corriente con agua y sólidos en suspensión se hace muy pesada y requiere más trabajo moverla 3- La molienda por vía húmeda es más barata que por vía seca, sin embargo, el desgaste de los cuerpos moledores y blindaje por vía seca solo representa del 30-40% del ocasionado por vía húmeda, además generalmente el proceso húmedo emplea molinos de circuito abierto, mientras que el otro es molienda por circuito cerrado, que permite mayor finura en el acabado del material y menor desperdicio de este
3.3 ALMACENAMIENTO DEL CEMENTO 3.3.1 Almacenamiento en fábricas El cemento que sale de los molinos ya listos para su utilización se transporta a silos en los cuales no debe experimentar cambios subsiguientes durante su ensilado. Sin embargo, pueden tener lugar ciertas influencias que ejercen efectos negativos sobre el cemento. El cemento debería ensilarse a temperaturas lo más bajas posibles, para lo cual hay que prestar atención urgente a su enfriamiento, ya durante el proceso de molienda (por ejemplo, en los ciclones separadores), o bien a la salida del molino (mediante enfriadores de cemento especiales). A temperaturas de 50-60ºC la deshidratación del yeso es 87
escasa al cabo de 28 días en ensilado, pero sin embargo a 80-90ºC es ya muy considerable o total. Incuso a temperaturas de solo 40ºC y para tiempos de ensilado de 28 días o más se puede observar ya un comienzo de deshidratación del yeso. El agua que se desprende (así como también la humedad del aire o de otros orígenes) reacciona en las zonas frías de los silos con el cemento, y en particular con el 3CaO∙Al2O3. Se forman ettringita y singenita aciculares y también aluminato hidratado laminar. Estas nuevas formaciones cristalinas pueden producir una consolidación. Dado que en estos procesos de consolidación toman parte principal el 3CaCO y los sulfatos alcalinos (junto con la humedad de la deshidratación del yeso y de otras procedencias), los cementos ricos en los compuestos citados son los más expuestos a ellos. La absorción de agua por parte del cemento (sobre todo por los cementos ricos en 3CaO∙Al 2O3) da lugar también a retrasos de fraguado, como asimismo a pérdidas de resistencia en relación con la cantidad de agua absorbida. En las condiciones del ensilado del cemento puede estar también la causa del falso fraguado La sensibilidad del cemento frente a las condiciones del ensilado disminuye la finura creciente de aquel, lo cual puede parecer paradójico, pero tiene una explicación: el radio medio de los poros entre los gránulos del cemento es menor en el caso de los cementos más finos, por lo cual la difusión del vapor de agua a través de una capa de cemento es asimismo más restringida en dicho caso Por todo lo anterior, en los silos de cemento debe penetrar la menor cantidad posible de agua, para lo cual se puede reducir el contenido de yeso, o sustituir parte de este por anhidrita II en la molienda del Clinker, así como controlar debidamente la inyección de agua en el molino y evitar la utilización de Clinker y de escoria siderúrgica húmedos. Además, la temperatura del cemento ensilado se debe mantener, si es posible, por debajo de 60ºC. Se puede dar el fraguado rápido en algunos cementos ensilados, los cuales recién fabricados da un fraguado normal. Las causas se pueden suponer, y a ellas pueden añadirse otras. Como contramedidas posibles se pueden proponer: el cambio de materias primas (particularmente por otras pobres en álcalis) y la utilización de aditivos hidrófobos (por ejemplo estearatos) en la molienda del cemento, a fin de que este repela el agua
3.3.2 Almacenamiento en obras 88
El cemento absorbe humedad cuando se mantiene ensilado mucho tiempo y sin protección. Esto trae consigo la formación de grumos y el aterronamiento, así como pérdida de capacidad de endurecimiento. No obstante, mientras los grupos sean deleznables fácilmente entre los dedos, la disminución de resistencia es insignificante El cemento ensacado está más expuesto a esta contingencia que el cemento ensilado, por lo cual se debe cuidar especialmente del almacenamiento de los sacos en condiciones de sequedad en hangares cubiertos; o en depósitos al descubierto, sobre apoyos de tablazón, separados del suelo y protegido con hojas de plástico. El cemento ensacado, almacenado de este modo, así como el ensilado en obra, experimentan al cabo de 3 meses una disminución de resistencias de algo más del 10%, si bien esta disminución puede ser mayor por lo que respecta a las resistencias iniciales, particularmente de los cementos molidos a gran finura. Por esta razón la duración del almacenamiento debe ser lo más corta posible, y preferentemente no rebasar un mes o a lo sumo dos, en el caso de cementos finamente molidos.
3.4 CONTROL DE CALIDAD El cumplimiento de los requisitos de calidad del cemento exigidos, en cuanto a composición y propiedades, se demuestra o se comprueba, respectivamente, mediante un control de calidad (control «interno» o autocontrol a cargo del fabricante, y control «externo» a cargo de un organismo oficial independiente).
a) Control de calidad interno Mientras se fabrique un cemento, y en tanto se especifiquen valores limites, el fabricante de cemento tiene que comprobar el su fábrica la composición y las propiedades de cada tipo de cemento. Así como su categoría o clase resistente. Por lo menos una vez al día deben ser determinadas las siguientes características: Fraguado Estabilidad de volumen Por lo menos dos veces por semana: 89
Perdida por calcinación (perdida al fuego) Contenido de dióxido de carbono CO 2 Residuo insoluble Contenido de sulfato SO 3 Finura de molido Resistencia a compresión a cada edad especificada Por lo menos una vez al mes: Constituyentes principales del cemento Calor de hidratación La composición necesaria para garantizar una alta resistencia a sulfatos Los resultados del control interno (autocontrol del fabricante o control de fabricación) deben ser registrados y, a ser posible, analizados estadísticamente. Los registros se deben conservar por lo menos durante 5 años y ser puestos a disposición de la organización responsable del control externo, a solicitud de esta.
b) Control de calidad externo El control de calidad externo por lo general es ejercido por un organismo para el control de la calidad, oficialmente reconocido. El organismo externo de control de calidad tiene que supervisar el control de calidad interno de las propias fábricas, en primer lugar por examen o inspección de la documentación de aquellas en relación con su autocontrol. Además, dicho organismo debe llevar a cabo, según los tipos y clases de cementos fabricados en cada momento, y a fin de comprobar si cumplen las condiciones establecidas, los siguientes ensayos y determinaciones: Por lo menos una vez cada dos meses: Perdida por calcinación Contenido de dióxido de carbono Residuo insoluble Contenido de cloruros Finura de molido Fraguado Estabilidad de volumen Resistencia a compresión a cada edad especificada Por lo menos una vez cada seis meses: Calor de hidratación 90
La composición necesaria para garantizar una alta resistencia a sulfatos Se debe redactar un informe con los resultados de los ensayos. El usuario de cemento no tiene que llevar a cabo ningún ensayo en obra para el control o la vigilancia del cumplimiento de las especificaciones. Sin embargo, como precaución contra cualquier posible reclamación futura, es indispensable tomar y conservar una muestra de cada partida de cemento. Esta muestra debe ser representativa y tener un peso mínimo de 5kg, debiéndose guardar seca y en condiciones estancas al aire, así como etiquetada de forma inconfundible (con la fecha de expedición, el nombre de la fábrica suministradora, el tipo y clase o categoría resistente del cemento, y el número del talón o albarán de entrega)
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4. IMPORTANCIA ECONOMICA EN EL SALVADOR A NIVEL REGIONAL O MUNDIAL DE LA INDUSTRIA DEL CEMENTO. La emergencia de la industria cementera. Los orígenes de la industria del cemento en América Latina se remontan a 1872, cuando se estableció en Rosario (Argentina), una pequeña fábrica que producía cemento romano para el mercado local. Esta iniciativa tuvo una cortísima existencia, como otras surgidas al cabo de poco tiempo en el mismo país, a causa de que los costes de producción doblaban los precios del cemento importado. Hubo que esperar hasta 1895 para asistir al nacimiento de la moderna industria del cemento en Latinoamérica, basada, naturalmente, en la fabricación del cemento portland. Nació en La Habana (Cuba), por obra de dos comerciantes españoles. Fueron unos inicios poco prometedores. La fábrica estaba dotada de un equipo modesto, su capacidad productiva ascendía tan solo a 20 toneladas diarias y dejó de operar en 1910. Pero por entonces ya habían entrado en funcionamiento diversas nuevas plantas con mayores potencialidades en distintos países. Consumo del cemento Así como el aumento de la producción en los diferentes países se dio a escalas distintas, a causa de varios factores como la demanda, fuentes de materia prima, tamaño de la población, entre otras; de la misma manera el consumo fue siendo diferente en cada país, basado en factores como el nivel de consumo del producto que constituye un buen indicador de la inversión en el sector de la construcción, en general, y de la inversión en capital social fijo, en particular. El grafico 6 muestra la relación entre el consumo y la producción de cemento. Se puede observar que la relación es directamente proporcional una de la otra, es decir que entre más demanda se exigía en ese período más oferta brindaba el mercado. Se mantuvo un equilibrio entre la compra y venta del cemento para esa época.
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Gráfico 6 Consumo Vrs producción 1900-1930
El grafico 7 muestra el consumo por país en 1929, año de mayor demanda del recurso, se puede observar a simple vista que los países con más movimiento son los suramericanos, sin dejar de mencionar a Cuba, igualando y superando a la región europea, especialmente Uruguay, Chile y Argentina, debido a su crecimiento en infraestructura y su fructífera producción. La región centroamericana fue la de menor demanda, a causa de atrasos tecnológicos y poco avance en métodos constructivos.
Gráfico 7 Consumo de cemento per cápita 1929
El desarrollo tecnológico de la industria del cemento en la región ha sido objeto de mayor atención desde finales de los años 70 e inicio de los años 80. La tendencia se interrumpe en 1982 en los 22 países considerados, principalmente como un efecto de la situación recesiva de las economías: la disminución es general, a excepción de Colombia, Ecuador, México, Perú y Venezuela. En el período de 1979-1982, cabe 93
destacar los mayores crecimientos de México (8.1%), Perú (5.4%) y Venezuela (7.8%). La industria de cemento estaba en su mayor parte en poder de propietarios nacionales independientes y poco a poco las empresas transnacionales comenzaron a adentrarse en las economías. Tabla 10 América Latina y el Caribe, producción 1977-1982, en miles de toneladas
Fuente: CEPAL. La industria del cemento en la región latinoamericana y del Caribe: evolución, situación actual y perspectiva del ahorro tecnológico, 1985. p. 3. La industria cementera mundial está buscando vías experimentales que permitan desarrollar cementos que precisen menor energía en su formación, degraden menos los entornos y emitan menos gases contaminantes a la atmósfera. Esta línea, en España y Europa, coincide plenamente con el concepto de sostenibilidad y alcanzar el cumplimiento del Protocolo de Kioto. El empleo de diferentes residuos y subproductos industriales como materiales alternativos en la fabricación de cemento, se ha revelado como un medio muy efectivo para alcanzar, en gran parte, esa sostenibilidad. Estos materiales alternativos pueden ser incorporados en el proceso de fabricación de cemento, por la sustitución parcial de los combustibles convencionales y/o de las materias primas del crudo y por la incorporación de adiciones activas al cemento y/o Clinker. El costo del cemento en porcentajes es aproximadamente 29% de la energía, el 27% de materias primas, mano de obra del 32% y 12% depreciación. Los costos de transporte son muy altos, comparados con los costos de producción. Sin embargo, el cemento puede ser enviado 94
por vía marítima económica y por vía navegable a grandes distancias, que se extiende en gran medida la competitividad radio de plantas de cemento con el acceso a las vías de navegación fluvial. Por lo tanto, la ubicación de una planta de cemento y el costo de transportar este, tiene que ver directamente con la competitividad de la planta y los precios que pueden cobrar. Como consecuencia de una mínima relativamente baja de plantas eficientes, el transporte y los costos de producción de cemento está muy fragmentado. Se estima que hay alrededor de 1500 plantas integradas de producción de cemento en el mundo. A pesar de esto, la industria ha visto el surgimiento de fuertes jugadores globales como un Lafarge o CEMEX; la participación de las cuatro mayores empresas solo representan el 23% del total de la demanda. El cemento se distribuye en bolsas o se entrega a los sitios de construcción a través de camiones de mezcla listas. Las tres grandes cementeras del mundo son Cemex, de México; Holcim, de Suiza y la francesa Lafarge “La industria del cemento y otros concretos a base de cemento es uno
de los negocios más rentables en el mundo, especialmente en Latinoamérica, donde las ventas se duplican cada 10 años como consecuencia de las altas tasas de crecimiento demográfico”
América Latina se ha convertido en una región con gran potencial en infraestructura y construcción, por lo que se convierte en una zona atractiva para los grandes productores de cemento alrededor del mundo. Aun así, ese potencial no ha sido explotado y Latinoamérica presenta un déficit en este ámbito que debe superar para competir contra regiones de igual desarrollo. La evolución del cemento está enfocada en las consecuencias ambientales que su fabricación ha traído, especialmente en los países con grandes producciones del material, pero esto no significa que sea el único problema a resolver. Los niveles económicos han afectado el consumo de cemento, pues en un estado de extrema pobreza o de gran atraso se han empleado materias naturales de tipo vegetal o mineral más baratas y accesibles que el cemento. Especialmente en países como los latinoamericanos, el problema principal no se concentra en la disminución de las emisiones de CO2 sino en la disminución de los costos de ventas, pues al convertirse en el 95
material universal en la construcción, sus precios se elevaron y en la actualidad la financiación de una edificación es muy costosa y países en vías de desarrollo buscan la utilización de materiales de bajo costo y en consecuencia, de baja calidad. Adentrándose a conocer los principales países productores de Latinoamérica, se tiene que mencionar a Brasil. La principal empresa cementera en Brasil es Cimento Itaú. Pertenece al grupo brasileño Votorantim, uno de los grupos privados más grandes del país con activos por 3.6 billones de dólares. Esta empresa, junto con sus subsidiarias, controla el 40 por ciento del mercado de cemento en Brasil y posee una capacidad de producción de 16.4 millones de toneladas. Adicionalmente, se caracteriza por tener flujo de caja que sobrepasa los 200 millones de dólares, que le permite mantener un bajo nivel de apalancamiento Principales productores y consumidores de cemento en el mundo De acuerdo con la información recabada en la U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, la producción de cemento en los últimos 5 años ha sido la que se muestra en la tabla IX. Como puede observarse, los países latinoamericanos cuya producción es significativa son Brasil y México, los cuales representan aproximadamente el 1.80% y el 1.05% de la producción mundial, respectivamente, en 2010. Mientras que China equivale aproximadamente al 55% de la producción. Estos datos permiten comprobar que es este país quien lleva la cabeza en la fabricación de dicho recurso
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Tabla 11. Producción mundial en millones de toneladas.
La industria cementera latinoamericana participa con el 7,0 por ciento del cemento producido a nivel mundial. Dentro de la región, el sector cemento y construcción participa con el 5.5 por ciento del Producto Interno Bruto (PIB) y con el 6.5 por ciento de la capitalización bursátil. México, Colombia y Brasil son los principales productores productores del área; por su parte Brasil posee la mayor capacidad instalada. Las principales empresas cementeras con operaciones en México son Cemex, Holcim Apasco, Lafarge y Cementos Cruz Azul. Cabe destacar que la CANACEM agrupa a las 6 principales cementeras del país: aparte de las ya mencionadas, a Grupo Cementos Chihuahua y Cementos Moctezuma. Cemex, es la cementera que ocupa el tercer lugar a nivel mundial. No es de extrañar que tras 100 años de operación, Cemex busque ser a corto plazo la segunda cementera del mundo. Su capacidad de producción anual, cercana a las 98,2 millones de toneladas métricas, la ubica como la más grande de la región, con operaciones en 23 países y relaciones comerciales comerciales con más de 60 naciones. Brasil encabeza la lista de los países de más consumo de cemento en América. Pero a partir de 1999 han incursionado al mercado cuatro 97
nuevas empresas, Cementos Andino S.A., Concrecem S.A. (recientemente adquiridas por el Grupo Argos), Cementos Oriente S.A., Cementos Tequendama S.A. y otras más que están constituidas legalmente pero no han comenzado a operar. En la actualidad, existen tres claros jugadores en la industria, estos son tres grupos económicos de talla mundial, que han venido incursionando en el mercado por medio de la adquisición de las plantas anteriormente mencionadas Estos son, CEMEX (el cual adquirió Cementos Diamante y Samper), Grupo ARGOS (su grupo consta de Cementos Argos, Cementos El Cairo, Cementos Caribe, Cementos Paz del Río, Cementos Nare, Cementos Rió claro, Tocemento, Cementos Andino, Concrecem y Cementos del valle), y El Grupo HOLCIM (propietario de Cementos Boyacá) En América los países que han logrado entrar al ranking de productores mundiales, como ya se mencionó, son Estados Unidos, incluyendo a los latinoamericanos latinoamericanos Brasil y México. En la gráfica 13 se muestran los comportamientos de dichos países en el sector de producción de cemento desde el año 1995 al 2010, (Van Oss, 1995- 2011), puede verse que la producción en Estados Unidos comenzó a decrecer en el 2006, pues la demanda de infraestructura había llegado a su punto máximo, pero luego vino un declive impresionante debido a la crisis económica mundial en el 2008, originada en este país que hasta la actualidad no ha podido superar del todo. La misma situación ocurrió con la producción en México, cuyo crecimiento iba viento en popa, hasta que fue alcanzado por la crisis y sin poder recuperarse, a pesar de ser un país en vías de desarrollo, cuya demanda del producto es apreciable.
Gráfico 8. Producción de países Americanos Americanos sobresalientes al 2011
La situación de Brasil es totalmente diferente. Luego de ser una de las economías más bajas a nivel mundial, este país ha encontrado la 98
fórmula perfecta para superar las adversidades económicas. La crisis ni siquiera afectó el crecimiento de la industria cementera, al contrario, su producción al 2010 casi alcanza a la estadounidense y está encaminada a seguir creciendo. Brasil es la mayor economía en Latinoamérica y la segunda en América.
4.1 ESTUDIO DE MERCADO SOBRE IMPORTACIONES Y EXPORTACIONES DE LOS INSUMOS Y DEL MERCADO DEL PRODUCTO FINAL
Gráfico 9. El Salvador-Importaciones-Evaluación-NCE-cementos Salvador-Importaciones-Evaluación-NCE-cementos hidráulicos hidráulicos
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Gráfico 10 El Salvador-Importaciones-Evaluación-NCE-cementos hidráulicos
Tabla 12. El salvador- Importaciones-Evolución-NCE: cemento- cementos hidráulicos
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5. ALTERNATIVAS EN EL PROCESO PRODUCTIVO DEL CEMENTO PARA UNA PRODUCCIÓN “MAS /LIMPIA”. La industria del cemento ha venido combatiendo a través de su historia con el intento por reducir su huella ambiental. Inevitablemente esta industria depende del uso intensivo en energía, por lo que ha introducido las técnicas de procesamiento de cooperación para reemplazar la quema de combustibles fósiles tradicionales. Estas técnicas hacen uso de los elementos combustibles de los residuos producidos en otros sectores, incorporándolos en porcentajes adecuados para no dañar la localidad del producto y ayudar al impacto ambiental . Siendo la producción de cemento la responsable de aproximadamente el 4% de producción industrial de gases de efecto invernadero, y en pro de generar materiales alternativos, en este apartado se presentan los resultados de una investigación dirigida a desarrollar cementantes que sean una alternativa ambientalmente sostenible en la construcción civil. Impactos ambientales y medidas de protección Aire
5.1 Gases de escape/gases de combustión Durante la extracción y trituración de las materias primas del cemento, cal y yeso (principalmente piedra caliza, yeso y anhidrita), realizadas normalmente en canteras, no se producen gases de escape. Las materias primas del cemento se suelen secar al mismo tiempo de su preparación y molienda, por lo que la humedad presente se desprende en forma de vapor de agua inocuo. Durante la cocción de las materias primas, u obtención del cemento, tiene lugar, por desprendimiento del dióxido de carbono (CO2) contenido en la piedra caliza, la transformación de carbonato cálcico en óxido cálcico. Así pues, las emisiones gaseosas de la cocción están formadas por el CO2 de la des carbonatación, los gases de escape delos combustibles y también vapor de agua en pequeña cantidad. En el gas desprendido pueden aparecer también compuestos de azufre (generalmente en forma de SO2) y óxidos de nitrógeno (NO). Las emisiones de vapor y de cloro y flúor gaseosos se evitan en el proceso normal por adsorción de los contaminantes en el producto combustible.
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Las emisiones de vapor de agua y de CO2 son inherentes al proceso, mientras que la aparición de compuestos de azufre puede reducirse drásticamente con el uso de materias primas y combustibles adecuados y el control del proceso de combustión. Hasta ciertos límites los componentes sulfurados son fijados por la clinca del cemento durante la cocción. Únicamente bajo condiciones operativas extraordinarias, por ejemplo, con exceso de azufre en la materia prima y en el combustible, o con cocción reductora, puede producirse aisladamente durante corto tiempo la emisión de cantidades de SO2 dignas de mención. La temperatura de llama en la fabricación de cemento puede alcanzar hasta 1800 C, con lo que se forman más óxidos de nitrógeno, por oxidación del nitrógeno atmosférico, que en la cocción de cal. En la industria del cemento se utilizan a menudo, como materiales combustibles complementarios, aceites, disolventes, residuos de pintura, neumáticos viejos u otros residuos combustibles. Estos productos de desecho suelen contener contaminantes, pero normalmente éstos son fijados por la clinca y no pasan al gas de escape. De utilizar setales combustibles, hay que comprobar la marcha del proceso mediante controles de seguridad especiales, a fin de evitar una emisión de contaminantes adicionales. En la cocción de cal, efectuada en instalaciones considerablemente más pequeñas que la fabricación del cemento, se emite también CO2 con el gas de combustión. Sin embargo, la cantidad de gas de escape es mucho menor que en las fábricas de cemento, dado el tamaño de la instalación y las temperaturas de cocción mucho más bajas requeridas por el proceso. Al apagar la cal, el carbonato cálcico se transforma en hidróxido cálcic o por adición deagua. Parte del agua añadida se evacúa de nuevo en forma de vapor de agua, ya que el proceso es exotérmico. Pero este vapor de agua es inocuo. Durante la cocción del yeso, pasan a la atmósfera vapor de agua y pequeñas cantidades de gas de combustión. Dado que las temperaturas de cocción de 300 - 400 C no son muy altas y los flujos de masa son generalmente muy pequeños, también estas instalaciones de cocción producen una contaminación ambiental escasa. La anhidrita de yacimientos naturales se tritura antes de usarla. 102
La anhidrita procedente de la fabricación de ácido fosfórico ha de secarse antes del uso posterior, con lo que se produce vapor de agua. Sin embargo, esta anhidrita pocas veces es utilizable técnicamente, pues a menudo es tóxica.
5.2 Polvo Durante la obtención y elaboración de cemento, cal y yeso, el proceso produce polvo en diferentes fases de trabajo. En el cemento este polvo es una mezcla de piedra caliza, óxido cálcico, minerales del cemento y a veces también cemento totalmente cocido, mientras que en el yeso es anhidrita y, sobre todo, sulfato cálcico. A excepción del polvo de CaO puro, que aparece en la cocción de la cal, el polvo no es peligroso, pero sí muy molesto. En los distintos grupos de producción y dispositivos de transporte de una fábrica de cemento hay que aspirar y despolvar de 6 a 12 m³ de aire y gas de escape por kg de material. Entre las mayores fuentes de una fábrica están: Molienda y mezclado de la materia prima, Cocción del cemento, Molienda del cemento (clinca + yeso) y Apagado de la cal. Es imprescindible el uso adecuado de instalaciones de aspiración y grupos separadores de polvo eficaces, como precipitadores electrostáticos, filtros textiles, filtros de gravilla y, frecuentemente combinados con estos últimos, ciclones, pues en otro caso no está garantizada una gestión apropiada de la fábrica y los costos por desgaste de las máquinas ascienden drásticamente, al tiempo que el alto porcentaje de polvo afecta a los puestos de trabajo y supone también una pérdida de producción. La mayor parte del polvo separado se reconduce al proceso, siempre y cuando no se esperen acumulaciones de componentes de metales pesados, como talio, en el gas de escape. Sólo bajo condiciones desfavorables de materia prima y de combustible puede ser necesario separar y desechar parte del polvo, a causa de una alta concentración de componentes perjudiciales en el producto, como los cloruros alcalinos. En algunos casos aislados este polvo puede ser aprovechado en otros sectores industriales. Si el polvo se deposita, dado que algunos de sus componentes son solubles, deben observarse las exigencias de la protección de aguas subterráneas en base a la solubilidad de los distintos componentes.
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En la fabricación de cal, la acumulación de polvo es menor, pues sólo en el apagado, embalaje y carga de la cal hay que trabajar con un producto en polvo. En la industria del yeso y de la anhidrita la acumulación de polvo es también escasa. Filtros de alta calidad (precipitadores electrostáticos o filtros textiles) permiten actualmente en la industria del cemento, cal y yeso obtener aire de escape con un contenido de polvo inferior a 25 mg/Nm³. Las autoridades europeas discuten actualmente valores inferiores a25 mg/Nm³ para instalaciones nuevas. Por el contrario, los Lineamientos Técnicos Aire alemanes siguen prescribiendo 50 mg/Nm³.
5.3 Ruido Las fábricas de cemento ocasionan un impacto sonoro mucho mayor que las de cal y yeso. Pero también estas últimas tienen sectores de producción cuyos niveles de ruido son considerables. En la extracción de materias primas pueden producirse durante corto tiempo molestias de ruido a causa de explosiones y las consiguientes sacudidas. Pero con procedimientos de detonación adecuados se pueden reducir en gran medida estas emisiones de ruido. Durante la preparación surgen ruidos molestos producidos, por ejemplo, por quebrantadoras de impacto y molinos para el desmenuzamiento de materiales duros. Estas instalaciones de trituración y las de preparación asociada se pueden encapsular para que el medio ambiente quede protegido de impactos sonoros graves. La mayor parte de molinos de materias primas y de cemento producen un ruido tan intenso que han desinstalarse en locales insonorizados separados, donde no haya puestos de trabajo permanentes. Las instalaciones de cocción necesitan numerosos ventiladores de gran tamaño que originan ruidos muy penetrantes, por lo que también aquí hay que tomar medidas contra el ruido, por ejemplo, en forma de encapsulaciones. Para evitar molestias, las plantas de la industria de cal y de yeso y, sobre todo, del cemento deben estar construidas como mínimo a una distancia de 500 m de las zonas urbanizadas. La inmisión en urbanizaciones próximas no debe sobrepasar 50 hasta 60dB(A) de día y 35 - 45 dB(A) de noche.
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5.4 Agua En el sector minero de la industria de cemento, cal y yeso, el agua residual puede contener materias sedimentables. Para no superar los valores establecidos por la normativa vigente, es preciso pasar el agua surgida en la mina a través de tanques de reposo, y el agua utilizada para lavar la piedra caliza siempre a través de tanques de sedimentación. El agua superficial que surge en el entorno de las minas debe ser descargada aparte. Las fábricas de cemento y de cal son a veces grandes consumidores de agua, pero el proceso tecnológico no produce contaminación del agua. En las fábricas de cemento se necesitan unos 0,6 m³ de agua por tonelada de cemento para la refrigeración de las máquinas. La mayor parte de esta agua se encuentra en circulación, por lo que sólo hay que reponer las pérdidas. En las instalaciones que trabajan con el método seco también se consume agua para la refrigeración de los gases de escape de los hornos, pudiéndose calcular un consumo neto aproximado de 0,4 a 0,6m³ de agua por tonelada de cemento. En las instalaciones que trabajan con el método húmedo se necesita aproximadamente otro m³ por tonelada de cemento para la molienda del lodo. Esta agua se desprende de nuevo por evaporación. En la industria de la cal se necesita agua para el apagado de la cal cocida (aprox. 0,33 m³/t de cal). Algunas fábricas de cal consumen, sobre todo cuando se exigen calidades de gran pureza, otro m³ aprox. de agua por tonelada de cal para el lavado de la piedra caliza bruta. Dependiendo del consumo, esta agua de lavado se pasa a tanques de sedimentación o a piscinas de clarificación, donde las partes finas se depositan y el agua residual se evapora, o a veces se reutiliza. La industria del yeso necesita relativamente poca agua, pues al transcurrir los procesos a temperaturas bajas, no hace falta energía de refrigeración. En la fabricación de placas de escayola, al yeso bruto se añade agua, que permanece en el producto para el fraguado del yeso (transformación del semihidrato en dihidrato). Se puede conseguir una reducción del consumo de agua aumentando la proporción de agua en circulación o manteniendo las pérdidas de agua al mínimo posible. En regiones secas el consumo de agua de refrigeración puede reducirse mediante la instalación de precipitadores electrostáticos especiales, 105
con capacidad de funcionamiento a las altas temperaturas del gas de escape. El agua sanitaria acumulada requiere conducción y gestión especiales.
5.5 Suelo En las inmediaciones de las fábricas de cemento, cal y yeso, si el mantenimiento de las instalaciones de separación de polvo es insuficiente, los suelos pueden deteriorarse por el polvo que reciben. Cierto es que en la fabricación del cemento se pueden introducir en el proceso elementos traza con efectos potencialmente negativos sobre el medio ambiente, a través de componentes de materia prima especiales, como mineral de hierro, o actualmente también a través de materiales de desecho combustibles, cada vez más utilizados. No obstante, estos contaminantes son absorbidos casi totalmente en estado fundido por la clinca de cemento, formando enlaces químicos y contrarrestando así su efecto contaminante. Para evitar desde el principio posibles perjuicios con el uso como combustible de componentes de materias primas especiales o de productos de desecho de otras industrias, es preciso efectuar análisis de los elementos traza de relevancia ambiental como plomo (Pb), cadmio (Cd), teluro (Tl), mercurio (Hg), cinc (Zn), que se depositan en el polvo de filtros. Llegado el caso, debe impedirse la acumulación de contaminantes en el proceso con medidas técnicas adecuadas, por ejemplo, la separación del polvo.
5.6 Puesto de Trabajo En las fábricas de cemento, cal y yeso están en funcionamiento numerosas máquinas que, incluso con el estado actual de la técnica, producen niveles de ruido de 90 dB(A). Generalmente se puede conseguir disminuir el ruido por medio de dispositivos estáticos. Los puestos de trabajo permanentes dentro de las instalaciones, por ejemplo, los puestos de mando, deben tener insonorización. Si a pesar de ello se producen niveles continuos de 85 dB(A), debe disponerse de protector de oídos, cuyo uso es imprescindible a partir de un nivel de ruido de 90 dB(A) para evitar lesiones auditivas. También durante estancias cortas en zonas de proceso con ruido intenso está prescrita una protección de los oídos. En casos excepcionales, por ejemplo, durante reparaciones o eliminación de averías, el personal puede estar expuesto durante 106
mucho tiempo a altas temperaturas y a una gran carga de ruido y polvo. Para estas aplicaciones han de estar previstos equipos y vestimenta de protección adecuados. Además debe limitarse y vigilarse el trabajo en la zona peligrosa.
5.7 Ecosistemas Las fábricas de cemento, cal y yeso necesitan materias primas que se encuentran a flor de tierra, por lo que al extraerlas no se pueden evitar interferencias en el paisaje circundante. En la elección del emplazamiento de las fábricas de cemento, cal y yeso deben tenerse en cuenta también los aspectos ambientales. Si se trata de emplazamientos en zonas aprovechadas hasta entonces para la agricultura, han de considerarse posibles fuentes de ingresos alternativas, sobre todo para las mujeres afectadas. Además del debido cumplimiento de las normas sobre gas de escape, polvo, ruido y agua, hay que verificar las condiciones del terreno, la integración en el paisaje y la infraestructura del emplazamiento. La infraestructura comprende, por ejemplo, suministro y posibilidades de vivienda para el personal femenino y masculino, sistemas y volumen de tráfico, industrialización existente y planificada de la zona. Dado que el impacto ambiental no se limita al área de la fábrica, los grupos de población afectados, y sobre todo mujeres y niños, deben tener derecho a atención médica. En la producción de cemento se necesita alrededor de 1,6 t de materia prima por cada tonelada de cemento, además de yeso, consumiéndose en total 1,65 t aprox. de materia prima. En la producción de cal el consumo de materia prima, con cerca de 1,8 t por tonelada de producto final, es aproximadamente un 10 % mayor que en la fabricación de cemento. En el consumo calculado de materia prima no se ha tenido en cuenta el escombro, que varía mucho de un yacimiento a otro. La mayor parte del consumo de yeso se podría cubrir actualmente en Alemania con el yeso acumulado de las instalaciones de desulfuración de gases de combustión, con lo que la preparación de esta materia prima ya no necesitaría alterar el paisaje. Para el posterior recultivo de una cantera se recomienda hacer la provisión de fondos ya durante la explotación. La fuente de energía predominante en este coprocesamiento es el petróleo coque (un subproducto del proceso de refinería de petróleo) y 107
la industria de cemento del mundo utiliza hasta ahora el 70% del coque (producido principalmente en América del Norte y del Sur). Con el enfoque del uso de combustibles alternativos en un 17% del requerido y adicionando elementos diferentes a los de la fabricación convencional, se logró un ahorro de 4 millones de toneladas de carbón y la prevención de 9,7 millones de toneladas de las emisiones de CO2 en Europa.
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6. DISPOSICION FINAL Y TRATAMIENTO DE LOS DESECHOS GENERADOS EN LA INDUSTRIA DE CEMENTO. Existe una gran problemática en el manejo de residuos industriales, ya que requiere una atención especial por las consecuencias ecológicas que trae consigo. La industria del cemento ha venido combatiendo a través de su historia con el intento por reducir su huella ambiental. Inevitablemente esta industria depende del uso intensivo en energía, por lo que ha introducido las técnicas de procesamiento de cooperación para reemplazar la quema de combustibles fósiles tradicionales. Estas técnicas hacen uso de los elementos combustibles de los residuos producidos en otros sectores, incorporándolos en porcentajes adecuados para no dañar la localidad del producto y ayudar al impacto ambiental. La industria del cemento produce 5% de las emisiones de dióxido de carbono (gas de efecto invernadero) generadas por el ser humano en todo el mundo. Por lo que sus objetivos a mediano y largo plazo son la reducción del dióxido de carbono. Además, emite contaminantes atmosféricos de criterio como óxidos de nitrógeno, dióxido de azufre, monóxido de carbono y material particulado, además de contaminantes tóxicos como ácido clorhídrico, tolueno, benceno y mercurio. La fabricación de cemento portland requiere un importante consumo de energía térmica y eléctrica, ya que se precisan muy altas temperaturas para completar las reacciones químicas que conducen a la formación del Clinker del mismo. La fuente de energía predominante en este coprocesamiento es el petróleo coque (un subproducto del proceso de refinería de petróleo) y la industria de cemento del mundo utiliza hasta ahora el 70% del coque (producido principalmente en América del Norte y del Sur). Con el enfoque del uso de combustibles alternativos en un 17% del requerido y adicionando elementos diferentes a los de la fabricación convencional, se logró un ahorro de 4 millones de toneladas de carbón y la prevención de 9,7 millones de toneladas de las emisiones de CO2 en Europa. Debido al avance de la tecnología en maquinaria y elementos usados como materia prima en las fábricas, la energía específica requerida se ha visto sensiblemente reducida en los últimos años. Entre 1973 y 1988 la energía específica necesaria para producir Clinker disminuyó desde 109
4.750 MJ/t de Clinker a 3.750 MJ/t. Desde entonces, la energía específica no ha sufrido cambios, es decir que se ha mantenido más o menos constante. Adicionalmente, la industria cementera es también una industria contaminante, ya que explota recursos naturales (canteras) y emite a la atmósfera una gran cantidad de gases contaminantes (CO2, SO2, NO). Las emisiones de CO2 están asociadas a la descarbonatación de las calizas, ya que el carbono es el constituyente mayoritario del crudo de cemento (superando el 60% de la emisión total). Los restantes gases contaminantes son emitidos durante la combustión de los combustibles fósiles utilizados en las plantas cementeras. Existe una gran problemática en el manejo de residuos industriales, ya que requiere una atención especial por las consecuencias ecológicas que trae consigo. En la actualidad la variedad de residuos industriales existentes pueden ser incorporados como aditivos o sustitutos al cemento portland ordinario (CPO) en los materiales de construcción, dando lugar a los llamados cementos compuestos. El empleo de materiales de reemplazo de CPO permite una reducción en el costo energético y en la generación de CO2 asociados a su uso y fabricación. Un gran número de investigaciones relacionadas con el uso de varios materiales de reemplazo del CPO han demostrado que tal práctica mejora las propiedades de morteros y hormigones base CPO; el incremento en la durabilidad de estos últimos está relacionado con propiedades macroscópicas como resistencia a la compresión, y al ataque químico y estabilidad dimensional, las cuales dependen de la microestructura del cemento hidratado. Actualmente, la industria del cemento emite entre 0,7 a 1,2 toneladas de CO2 por tonelada de Clinker de cemento, dependiendo del tipo de combustible empleado. En general, el uso de una tonelada de ceniza volante en los cementos de adiciones evita la emisión de una tonelada de CO2. Quizá éste valor se escuche casi despreciable, pero en la cantidad de cemento producido anualmente, el ahorro en energía y disminución de emisiones por la utilización de cenizas volantes de cualquier tipo es muy representativo. En el año 2003, el empleo de aproximadamente 13,8 millones de toneladas de cenizas en cementos de adición, como materia prima y 110
adición al hormigón, ha supuesto la reducción de alrededor de 11 millones de toneladas de CO2. Además, cerca de 12 millones de toneladas de materias primas naturales se han salvado, ya que para la producción de 1 tonelada de cemento se emplean 1,6 toneladas de materias primas naturales.
Uno de estos materiales con potencial es el residuo de la producción de energía eléctrica mediante la extracción de calor del subsuelo, en las plantas geotérmicas a base de salmuera. Cuya investigación se explicó en el capítulo cinco con el uso de la sílice ultrafina. La práctica de esta tecnología ha ido en incremento en los últimos años, debido a que es una fuente de energía limpia, generalmente renovable, y de menor costo, en comparación con otras formas de generación de energía. Además de que se le encuentra un uso adecuado a los residuos geotérmicos, evitando se queden depositados en los suelos y cuerpos de agua. Sin embargo, una de las mayores desventajas de dicha tecnología es la generación y disposición de grandes cantidades de desechos, que ambientalmente son dañinos, ya que este desecho, denominado desecho geotérmico (DG), es obtenido de la mezcla de salmuera y vapor (presurizados, naturalmente), que pasa a través de diferentes etapas de extracción de calor. Conforme la temperatura se reduce de la mezcla se precipita sílice amorfa de tamaño nanométrico, junto con cloruros de sodio y potasio. El precipitado causa problema en las tuberías, donde se deposita como una cascarilla que crece varias pulgadas por mes y debe ser removida periódicamente. Además de estas incrustaciones, un porcentaje de salmuera remanente se reinyecta al subsuelo y el resto se deposita en lagunas de evaporación que contienen miles de toneladas de este desecho geotérmico. La planta geotérmica de Cerro Prieto en Baja California, México, genera aproximadamente 50.000 toneladas anuales de este desecho geotérmico, el cual no tiene hoy una aplicación. La explotación de tal cantidad de desecho geotérmico podría beneficiar alrededor de 0,5 millones de toneladas de CPO con un nivel de reemplazo del 10%, puede traducirse en una mejora potencial en la calidad de alrededor de 2 millones m3 de hormigón. 111
En Latinoamérica, el único sector del cemento certificado como “industria limpia” es en México, por la PROFEPA (Procuraduría Federal de Protección al Ambiente) y se estima que desde su inicio, la Industria ha invertido más de $1,500 millones en equipo ambiental. Asimismo, desde algunos años se han estado aplicando tecnologías para la reducción de emisiones acorde al protocolo de Kioto, y se han suscrito convenios con la SEMARNAT (Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales) para la disminución de residuos contaminantes y tiraderos de llantas (las cuales se corcusan y se utilizan como combustible para los hornos). La manera más eficiente de controlar la contaminación emitida por la producción de cemento, es el monitoreo de los gases que se emanan durante un período de tiempo, vigilando así, cambios en las concentraciones de los contaminantes y conociendo de esta forma, cuáles son más o menos perjudiciales, en este caso para el ambiente. Especialmente los óxidos de azufre y óxidos de nitrógeno, material particular y el tan mencionado dióxido de carbono, los cuales son los principales compuestos que intervienen en el efecto invernadero que propicia el calentamiento global, así como la lluvia ácida que trae consecuencias en siembras, bosques, edificios, entre otros. La Iniciativa para la Sustentabilidad del Cemento (CSI, siglas en inglés), es un programa en el que han estado trabajando Holcim y varias otras cementeras multinacionales, como Cemex Corp., de Houston Heidelberg Cement, de Heidelberg (Alemania), y Lafarge SA, de París (Francia), en donde la primera prioridad fue crear una herramienta uniforme para medir las emisiones del más común de los gases de efecto invernadero. Holcim y otras empresas participantes han comenzado a avanzar en la segunda fase de la CSI, la cual consiste en establecer un proceso para obtener y comparar información sobre las emisiones de metales tóxicos de las plantas, incluidos el plomo y el mercurio que se liberan como subproductos del proceso de fabricación del cemento, cuyos efectos crónicos en la salud pueden causar muerte y daños irreversibles. Se ha logrado establecer que las emisiones de los gases contaminantes en los países como México, Estados Unidos y Canadá, que han implementado el plan CSI, han disminuido en comparación con años anteriores. Estos controles se llevan por medio del RETC (Registro de
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emisiones y transferencia de contaminantes), que cada empresa controla. Sin embargo no todas las emisiones son iguales, a pesar del ser el mismo proceso, esto se debe a la materia prima utilizada en cada región. Este monitoreo continuo, va a permitir adoptar o desechar nuevas tecnologías de acuerdo con la comparación de las concentraciones de contaminantes, pudiendo determinar nuevos compuestos y saber si son más o menos perjudiciales para el ambiente y el bienestar de las personas.
Prevención de la contaminación atmosférica.
6.1. Emisiones típicas de polvo La producción de una tonelada de cemento representa la molienda de unas 2,6-2,8 toneladas de materias primas, Clinker, yeso, escorias de alto horno, puzolanas y carbón pulverizado (En las instalaciones donde se usan combustibles sólidos). Del 5 al 10% de estos materiales finamente pulverizados por agitación queden suspendidos en el aire, debiendo separarse este polvo antes de descargar los gases a la atmosfera. Según las condiciones de trabajo de cada fábrica, la cantidad de gas o de aire que hay que desempolvar varía de 6 a 12 m 3 por kg de cemento. El polvo emitido en las varias unidades del proceso en una fábrica de cemento varía grandemente en su composición. Se distinguen, principalmente, los siguientes tipos de polvo: Polvo de materias primas (p. e., caliza, marga, arcilla, mineral de hierro, escorias de alto horno); Polvo de harina cruda; Polvo de los hornos de cemente (polvo de los gases de escape); Polvo de Clinker; Polvo de carbón; Polvo de cemento. Exceptuando el polvo de los hornos, los demás polvos ante citados tienen la misma composición que los materiales de su precedencia. El polvo de los hornos es el arrastrado por los gases salientes del horno, 113
consiste en la harina cruda alterada térmicamente, arcilla deshidratada, caliza descarbonatada (calcinada) y minerales de nueva formación correspondientes a las diversas zonas del horno y a todas las etapas de la formación del Clinker; si el horno quema carbón hay que contar las cenizas del combustible. La tabla 13 de la composición química de los polvos descargados en dos tipos de horno. En ella se dan los valores de los polvos antes y después de pasar por el equipo colector. Entre los componentes del polvo sobresalen los carbonatos, silicatos, sulfatos y cloruros. Está comprobado que los compuestos de azufre, alcalinos y de cloro de concentran muy particularmente en el polvo de los gases depurados. Estos compuestos se volatilizan en la zona de cocción del horno.
Tabla 13. Composición química del polvo en los hornos de cemento, antes y después del colector de polvo.
Cerca de 60-70% de las cenizas del carbón son absorbidas en el Clinker, descargándose el resto con el polvo que sale del horno. Los gases depurados que se descargan de los separadores contienen entre 80 y 90 por ciento de partículas inferiores a 10 micras, lo cual está dentro de las tolerancias establecidas por los reglamentos contra la contaminación atmosférica en Alemania y otros países y que se contienen en *Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft* (*Instrucciones técnicas para la depuración del aire*). 114
6.2 Emisiones gaseosas Los gases que salen de los hornos de cemento contienen principalmente nitrógeno N 2, bióxido de carbono CO 2, oxigeno O2 y vapor de agua H 2O. Además pueden contener pequeñas cantidades de compuestos de azufre (SO 3), óxidos de Nitrógeno (NO, NO 3), monóxido de Carbono (CO) y ácido sulfhídrico (H 2S). El azufre contenido en las materias primas y en el combustible se oxida bajo la forma de bióxido de azufre SO 2, a temperaturas sobre los 1000°C, en presencia de exceso de aire. Este compuesto reacciona con los alcalisis que se volatilizan simultáneamente formando sulfatos alcalinos, con menos votalidad y que se descargan del horno con el Clinker o con el polvo. El SO2, restante en los gases del horno puede, en presencia de oxígeno, reaccionar con el CaCO 3 del crudo que alimenta al horno y también con el CaO formado por calentamiento del anterior, dando sulfato cálcico CaSO4 .Esta reacción tiene lugar particularmente en las instalaciones de molienda y secado y en torres de acondicionamiento para la molienda y en presencia de vapor de agua. Si existe un exceso de alcalisis una alta proporción del azufre total (88100%) introduciendo en el sistema del horno se combina en el Clinker de cemento y en el polvo del horno. Tan solo una pequeña proporción (menos del 12%) se emite como SO 3. En caso de exceso de azufre es posible que el escape de SO 3 sea mayor (según Locher/ Sprung/ Opitz, 1971) El monóxido de Carbono y el sulfuro de hidrogeno se forman únicamente en condiciones de combustión incompleta, p, e. en hornos verticales, y aun entonces en pequeñas cantidades. Con exceso de aire se pueden formar óxidos de nitrógeno en los hornos de cemento, especialmente el monóxido NO y el bióxido NO 2, en una proporción volumétrica de 90% NO y 10% NO 2. El contenido de óxidos de nitrógeno en los gases de salida es entre 200-1100 mg/m 3 (correspondiendo a 150-800 ppm) expresados en NO. Los valores próximos al límite inferior de la banda son válidos particularmente para los hornos previstos de precalcinación. No aparecen cloruros o fluoruros gaseosos en los gases de salida del horno, ya que las muy pequeñas partes de cloro y flúor contenidas en el crudo se combinan con los alcalisis, el calcio del Clinker y el polvo en el curso de los procesos cíclicos del horno de cemento. 115
Cuando se usan en la molienda del Clinker del cemento agentes coadyuvantes, una gran proporción de estos compuestos orgánicos se combina con el cemento, mientras que el resto se emite en forma de vapor. Sin embargo, se carece de datos precisos de las cantidades de dicho vapor enviados a la atmosfera.
6.3 Características de las emisiones gaseosas en las fábricas de cemento La tabla nos da información sobre el polvo y las características de los gases emitidos corrientemente en las fábricas de cemento que funcionan en la República Federal de Alemania. Estos detalles convienen como guía para determinar la capacidad de los colectores de polvo que deben instalarse. Los volúmenes específicos de los gases de salida en m3, bajo condiciones normales (°C,1013 mbar de presión), comprenden el vapor de agua desprendido por el secado, el quemador del hogar auxiliar para suministro de aire caliente a la planta de secado y el agua inyectada que añade a gases de salida (CO 2,O2, CO) se refieren a gases secos. El contenido de agua de los gases de salida se puede calcular a partir del punto de roció. El contenido de polvo de los gases de salida (por ej. La carga de polvo de los gases antes de su depuración) se expresa en g por m 3 bajo condiciones normales (húmedo) a montante del equipo colector de polvo.
6.4 Influencias sobre la carga de polvo La cantidad de polvo arrastrada por el gas depende principalmente de la naturaleza y la finura del material y de la velocidad de la corriente gaseosa en contacto. En los hornos largos por vía húmeda el polvo contenido en los gases salientes depende principalmente de la acción filtrante o detentora del polvo ejercida por los montajes internos (cadenas, dispositivos cerámicos especiales, etc.). Si se aumenta la producción, con el correlativo aumento proporcional de la corriente de gases, con cambios en los montajes internos y mayor temperatura de los gases de salida, también aumentan las cantidades de polvo producido. El contenido de polvo en los gases descargados del precalentado de un horno con intercambiador por suspensión se rige principalmente por la acción del piso más alto del sistema de ciclones, de su rendimiento operativo y del hermetismo de cierre de sus juntas de descarga.
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El contenido de polvo de los gases de salida de un horno con un precalentado de parrilla (horno Lepol) depende mucho de las características y estabilidad de los nódulos y de la acción filtrante del lecho nodular formado encima de la parrilla en la cámara de secado. La separación de polvo mediante la acción separadora de ciclones que reciben el gas entre las dos cámaras puede reducir la cantidad de polvo levantada en la cámara de secado. La cantidad de polvo contenida en los gases de salida de un horno vertical depende de la acción filtrante del lecho de nódulos húmedos situados encima de la zona de cocción. Un funcionamiento irregular, con golpes de fuego, por ejemplo por mala nodulización, irregularidades en la mezcla crudo-combustible y una sobrecarga del horno pueden incrementar la cantidad de polvo producido. El contenido del polvo en el aire extraído de los enfriadores de parrilla depende del grado de cocción y densidad aparente del Clinker como también de la corriente de aire empleado. Una trituradora de Clinker después del enfriador puede recoger el agobio de polvo. El contenido de polvo se eleva en especial cuando aparecen incocidos o si ocurren avalanchas inesperadas de material crudo. En los secadores rotativos los montajes interiores son muy convenientes para un buen intercambio de calor entre los gases calientes y el material a secar, pero en cambio levantan una considerable cantidad de polvo, especialmente si los materiales son friables. Mayores contenidos de polvo en los gases de salida se observan con los secadores rápidos, por resultado de la acción trituradora de un eje de paletas girando a gran velocidad. La proporción de polvo arrastrada por el aire descargado de los molinos pulverizadores (molinos de rodillos, tubulares, aerofall) depende en gran medida del tipo de molino, del material que lo alimenta, del grado de reducción realizado (finura del producto), de la proporción de aire de arrastre y, especialmente, de la velocidad de paso del aire en el molino y en el paso de salida. Los molinos ventilados y los de rodillos son los que llevan una mayor carga de polvo en el aire de salida, puesto que la totalidad de la producción respectiva debe ser arrastrada por la corriente de aire y luego precipitada del mismo.
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Tabla 14 Características de los gases de salida en las fábricas de cemento
Tabla 15 Tipos de residuos más frecuentemente empleados como materias primas en la industria del cemento
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OBSERVACIONES Muchas empresas empezaron sus operaciones con hornos húmedos, lo cual con el paso del tiempo fue cambiando al ver la necesidad de optimizar los procesos y reducir los costos de producción, desarrollando así el proceso vía seca el cual consume mucho menos combustible generando una reducción de costos y reduciendo así el impacto ambiental de las operaciones debido a la disminución de gases de combustión arrojados a la atmosfera.
Cabe recalcar que aunque la empresa Holcim tiene políticas de desarrollo sostenible, la actividad cementera tiene un alto impacto en el paisaje de la zona y sus emisiones de gases de efecto invernadero son muy altas afectando siempre de gran manera al medio ambiente Sin embargo la empresa Holcim posee diversos proyectos de y reforestación
de
diversas
áreas
trabajadas,
rehabilitando
canteras, además de plantas de coprocesamiento de desechos sólidos en donde Materiales Material es como llantas y aceites usados, plásticos, hules, textiles y químicos residuales de procesos de otras industrias, industrias, se convierten mediante este proceso en energía limpia. Aun así la industria del cemento es la responsable del 5% de las emisiones de dióxido de Carbono gas de efecto invernadero, generadas por el ser humano a nivel mundial, por lo que sus objetivos a mediano y largo plazo son la reducción de estas emisiones
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CONCLUSIONES En la fabricación de cemento Portland existen dos procesos, el químico y el seco; la elección de uno de ellos depende fundamentalmente de la naturaleza de la materia prima, aunque en el proceso seco se requiere menor consumo de combustible, por lo que este proceso es conveniente para el caso de El Salvador La producción continua de cemento de alta calidad solo es posible, en primer lugar, si el crudo tiene una composición química optima; y, en segundo lugar, si esta composición oscila entre limites lo más estrechos estrechos posible.
Los gases que salen de los hornos de cemento contienen principalmente nitrógeno N 2, bióxido de carbono CO 2, oxigeno O2, y vapor de agua. Siendo la producción de cemento la responsable de aproximadamente el 4% de producción industrial de gases de efecto invernadero, y en pro de generar materiales alternativos se han realizado investigaciones dirigidas a desarrollar cementantes
que
sean
una
alternativa
ambientalmente
sostenible La industria del cemento, por sus varias ventajas y diversidad de usos de los productos generados, ha abierto mercados de exportación e importación, trayendo grandes beneficios al país, por la generación de ingresos
En la industria del cemento, la participación del Ingeniero Químico es elevada, lo cual permite un gran número de empleos. 120
RECOMENDACIONES Se recomienda tener información bibliográfica en forma de revistas científicas extranjeras, en las cuales se proporcione información
actualizada
sobre
la
Industria
del
Cemento,
conteniendo información sobre equipos, diseños de plantas, etc. Realizar trabajos de investigación sobre la Industria del Cemento en el país, proponiendo en ellos alternativas para la producción limpia, con el fin de cuidar al medio ambiente. Solicitar más información actualizada en la Universidad para no tener que recurrir a otras fuentes de información fuera del Departamento de San Salvador.
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Autores, V. (2013). TRADE. Recuperado el 03 de 06 de 2016, de TRADE : http://trade.nosis.com/es/Comex/ImportacionExportacion/ElSalvador/cemento--cementos-hidraulicos-comprendidoslos-cementos-sin-pulverizar-o-clinker-incluso-coloreados/SV/2523 Labahn, O. (1985). Prontuario del cemento. Barcelona: Editores Tecnicos Asociados, S.A. Morales, F. C. (1995). Perspectivas de la industra cementera y compuestos de calcio y magnesio ante el tratado de libre comercio. Puebla, Mexico. Rudas Burgos, C. A. (1983). Evaluacion de los yacimientos de puzolana en El Salvador para la Formulacion de Cemento Puzolanico y comparacion de propiedades con cemento Portland. San Salvador. DIRECCION GENERAL DE ESTADISTICA Y CENSOS, "Anuarios Estadisticos", Vol. III, Industria Comercio y Servicios, Ministerio de Economia, San Salvador, El Salvador (1971-1977)
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ANEXOS Gráficos El Salvador- Importaciones-Evaluación-NCE: cemento-cemento hidráulico
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