Indice
1.
Introducción
2. Elaboración
3. Propiedades
Químicas
4. Normas de calidad del cemento
pórtland
5. Conclusiones
6. Bibliografía
Los usos industriales de la cal han proporcionado
importantes contratos para
los químicos e ingenieros desde años atrás
cuando la cal y los cementos naturales fueron introducidos. En la
actualidad solo se necesita mencionar las paredes y las vigas de
concreto
reforzado, túneles, diques y carreteras para imaginar la
dependencia de la civilización actual con estos productos. La
conveniencia, precio
accesible, adaptabilidad, resistencia y
durabilidad de ambos productos han
sido fundamentales para estas aplicaciones.
No obstante, de los modernos caminos de concreto y
edificios alrededor de nosotros, es difícil imaginar el
tremendo crecimiento de la industria del
cemento
durante el siglo pasado. El hombre tuvo
que ir descubriendo ciertas rocas naturales,
las cuales a través de una calcinación simple dan
un producto que,
al agregar agua, se
endurece. El avance real no tomaba parte todavía en los
estudios fisicoquímicos y de ingeniería química de poner las
bases para las plantas modernas
y eficientes que trabajaran bajo condiciones controladas en una
variedad de materiales
crudos.
Origen
El cemento "Portland" tiene sus orígenes en la cal u
óxido de calcio, a partir del cual y luego de cientos de
años de estudios empíricos y científicos, se
llega a lo que hoy se conoce como cemento. A través de la
historia de los
pueblos egipcios, griegos y romanos, se utilizó la cal
como ligante en sus construcciones. En la América
Prehispánica los Aztecas la
emplearon también en la fabricación de tabiques y
techos armados con caña y bambú. En 1824, un
albañil Inglés
llamado Joseph Aspdin, patentó un producto que
él llamó cemento Portland, pues al endurecerse
adquiría un color semejante
al de una piedra de la isla Portland en Inglaterra. En
1838, este cemento se utilizó por primera vez en una
construcción de importancia en uno de los
túneles construidos bajo el río Támesis en
Londres. David Saylor, un técnico norteamericano, fue el
primero en fabricar cemento en América, así nacía en 1850 la
industria
cementera en Norteamérica. El uso del cemento Portland
continuó extendiéndose hasta convertirse en el
material de construcción más utilizado en el
mundo.
1) Materias primas
Las materias primas fundamentales son las rocas
calcáreas y las arcillas. Estas que se extraen de
yacimientos a cielo abierto.
La otra materia prima
que se utiliza es el yeso, que se incorpora en el proceso de la
molienda, para regular el tiempo de
fraguado.
2) Proceso de
elaboración
El proceso consiste en tomar las rocas calcáreas y las
arcillas en proporciones adecuadas y molerlas intensivamente, de
manera que el compuesto de la caliza (CaO) se vincule
íntima y homogéneamente con los compuestos de la
arcilla (SiO2, A1203 y Fe2O3 ). El producto resultante denominado
polvo crudo ingresa al horno y egresa como clinker. El proceso se
completa con la molienda conjunta del clinker y yeso, obteniendo
el cemento portland.
Trituración primaria: Los bloques de rocas
calcáreas y las arcillas provenientes de las canteras,
ingresan a la trituradora primaria quedando reducidas a
tamaños inferiores a los 10 cm.
Trituración secundaria: Ingresa el material proveniente de
la trituradora primaria y sale con tamaños máximos
inferiores a 2,5 cm
Molienda: El material resultante de la trituradora secundaria
ingresa a un molino, resultando un producto impalpable,
denominado polvo crudo.
Homogeneización: Con el fin de alcanzar la unión
íntima de los compuestos, se somete al polvo crudo a un
mezclado intensivo, por medio de ciclones de aire.
Calcinación: El polvo crudo ingresa al horno,
elevándose la temperatura
hasta alcanzar los 1450 ºC, en donde se produce una fusión
incipiente del producto resultante, denominado clinker.
Molienda: Finalmente, el clínker conjuntamente con el yeso
se muele hasta obtener el Cemento Portland
Se utilizan dos métodos de
manufactura:
los procesos
mojado y seco. En ambos procesos se
prefiere el circuito cerrado pulverizado en preparación de
los materiales
crudos que el circuito abierto de pulverizado porque en el
primero las partículas pequeñas o finos son colados
y los gruesos del material son regresados; mientras que en el
segundo, el material crudo es molido continuamente lo que
significa que en lo más fino se consigue el valor
deseado.
El proceso mojado fue desplazado por un tiempo por el
proceso en seco, pero actualmente empieza a se adaptado por
nuevas plantas debido al
control
más exacto y el mezclado de los materiales crudos con sus
proporciones. El material sólidos después de un
secado abrumador, es reducido a un estado fino de
división en un tubo mojado o molino de pelota y pasa por
un slurry o lechada a través de un clasificador de
balón o colador. El slurry es bombeado a tanques
correctivos donde unas aspas hacen una mezclan homogénea y
permite los ajustes finales en la composición. FIG.
1
FIG 1 Proceso Mojado con molinos en circuito
cerrado.
Este slurry es filtrado en un filtro rotatorio continuo y
alimentado al horno. El proceso en seco se aplica especialmente a
los cementos de roca natural y para la mezcla de roca con cal y
esquisto o pizarra. En este proceso los materiales son
bruscamente molidos en molinos con mandíbulas seguido de
molinos rotatorios; después son secados, reducidos de
tamaño y aún más molidos en un molino de
tubo. Este material secado, es decir, en polvo, se alimenta
directamente a los hornos rotatorios donde toman lugar las
reacciones
químicas. El calor es
provisto por aceite quemado, gas natural,
carbón pulverizado usando aire precalentado
del enfriamiento del clinker.
Los hornos del proceso en seco pueden ser de 150 ft y en
el proceso mojado los hornos son de 300 a 500 ft, con esto vemos
que no son hornos muy comunes. El diámetro interno
usualmente es de 8 a 15 ft y tienen una rotación de
½ a 2 rpm dependiendo del tamaño; están un
poco inclinados para que los materiales alimentados en la parte
superior viajen lentamente a la parte baja tomando de 2 a 3
hr.
Operaciones unitarias, procesos unitarios .
Esencialmente las operaciones
unitarias preparan los materiales crudos en las proporciones
necesarias y el estado
físico propio de la finura y contacto íntimo tal
que las reacciones
químicas (procesos unitarios) pueden tomar parte en la
temperatura de
calcinación en el horno para formar, por doble
descomposición o neutralización, los siguientes
componentes:
Fórmula Nombre Abreviatura.
2CaO.SiO2 Silicato
dicálcico C2S
3CaO.SiO2 Silicato tricálcico
C3S
3CaO.Al2O2 Aluminato tricálcico
C3A
4CaO.Al2O3.Fe2O3 Alumnioferrito
tetracálcico C4AF
MgO En estado
libre.
K2O y Na2O formando pequeños
montículos de varios componentes con CaO,
Al2O3, SiO2 y SO3
También toman lugar otras reacciones, tal como
deshidratación y descarbonización o
calcinación de la piedra de cal, ambos siendo
endotérmicos con valores de 380
y 665 BTU/lb respectivamente. La formación del clinker es
exotérmica con un valor probable
de 200 BTU/lb de clinker.
Sin embargo, la consumación del carbón indica 3000
o 4000BTU/lb de clinker. Este calor es
despedido del horno en las reacciones siguientes:
Temperatura Reacción Intercambio de
calor.
100o C Evaporación de agua
libre Endotérmica
500oC y más Evolución de agua
combinada Endotérmica.
con la arcilla
900oC y más Evolución del dióxido de carbono
Endotérmica
del carbonato de calcio.
900oC – 1200oC Reacción
principal entre la Exotérmica
cal y la arcilla.
1250oC – 1280oC Principio de
formación del Endotérmica
líquido.
1280oC y más Formación de más
líquidos Probablemente
y componentes endotérmica.
Se debe notar que más de las reacciones en el
horno proceden en las fases sólidas y en el final ocurre
la fusión
incipiente. Todas estas reacciones con aprovechadas en la "quema
de cemento".
Para obtener una gran economía de calor,
las operaciones
unitarias se usan para remover parte del agua del slurry. Algunos
procesos usan filtros de slurry y espesadores Dorr. Algunos otros
adjuntos comunes para los hornos rotatorios son los separadores
ciclónicos de polvos y precipitadores Cottrel. Los
calentadores de calor de desecho algunas veces se utilizan para
conservar el calor y son, particularmente, salvadores o
guardadores en el proceso en seco, donde los gases de
desecho del horno son más calientes que los que provienen
del horno en el proceso mojado que puede ser de
800oC.
Debido a que el revestimiento del horno tenía que resistir
abrasiones severas y ataque químico a altas temperaturas
en la zona del clinker y que el cambio del
revestimiento refractario es difícil; comúnmente se
usa ladrillo de superalúmina y ladrillo de supermagnesio;
sin embargo si solo se utiliza cemento Pórtland, es
satisfactorio.
La propiedad de
liga de las pastas de cemento Pórtland se debe a la
reacción química entre el
cemento y el agua
llamada hidratación.
El cemento Portland no es un compuesto químico simple,
sino que es una mezcla de muchos compuestos. Cuatro de ellos
conforman el 90% o más de el peso del cemento
Pórtland y son: el silicato tricálcico, el silicato
dicálcico, el aluminato tricalcico y el aluminio
ferrito tetracálcico. Además de estos componentes
principales, algunos otros desempeñan papeles importantes
en el proceso de hidratación. Los tipos de cemento
Pórtland contienen los mismos cuatro compuestos
principales, pero en proporciones diferentes.
Cuando el clinker (el producto del horno que se muele para
fabricar el cemento Pórtland) se examina al microscopio, la
mayoría de los compuestos individuales del cemento se
pueden identificar y se puede determinar sus cantidades. Sin
embargo, los granos mas pequeños evaden la
detección visual. El diámetro promedio de una
partícula de cemento típica es de aproximadamente
10 micras, o una centésima de milímetro. Si todas
las partículas de cemento fueran las promedio, el cemento
Pórtland contendría aproximadamente 298,000
millones de granos por kilogramo, pero de hecho existen unos 15
billones de partículas debido al alto rango de
tamaños de partícula. Las partículas en un
kilogramo de cemento Pórtland tiene una área
superficial aproximada de 400 metros cuadrados.
Los dos silicatos de calcio, los cuales constituyen cerca del 75%
del peso del cemento Pórtland, reaccionan con el agua para
formar dos nuevos compuestos: el hidróxido de calcio y el
hidrato de silicato de calcio. Este ultimo es con mucho el
componente cementante mas importante en el concreto. Las
propiedades ingenieriles del concreto, fraguado y endurecimiento,
resistencia y
estabilidad dimensional principalmente depende del gel del
hidrato de silicato de calcio. Es la medula del concreto.
La composición química del silicato de calcio
hidratado es en cierto modo variable, pero contiene cal (CaO) y
sílice (Si02), en una proporción sobre el orden de
3 a 2. el área superficial del hidrato de silicato de
calcio es de unos 3000 metros cuadrados por gramo. Las
partículas son tan diminutas que solamente ser vistas en
microscopio
electrónico. En la pasta de cemento ya endurecida, estas
partículas forman uniones enlazadas entre las otras fases
cristalinas y los granos sobrantes de cemento sin hidratar;
también se adhieren a los granos de arena y a piezas de
agregado grueso, cementando todo el conjunto. La formación
de esta estructura es
la acción cementante de la pasta y es responsable del
fraguado, del endurecimiento y del desarrollo de
resistencia.
Cuando el concreto fragua, su volumen bruto
permanece casi inalterado, pero el concreto endurecido contiene
poros llenos de agua y aire, mismos que no tienen resistencia
alguna. La resistencia esta en la parte sólida de la
pasta, en su mayoría en el hidrato de silicato de calcio y
en las fases cristalinas.
Entre menos porosa sea la pasta de cemento, mucho mas resistente
es el concreto. Por lo tanto, cuando se mezcle el concreto no se
debe usar una cantidad mayor de agua que la absolutamente
necesaria para fabricar un concreto plástico y
trabajable. A un entonces, el agua empleada es usualmente mayor
que la que se requiere para la completa hidratación del
cemento. La relación mínima Agua
– Cemento (en peso) para la
hidratación total es aproximadamente de 0.22 a 0.25.
El
conocimiento de la cantidad de calor liberado a medida de que
el cemento se hidrato puede ser útil para planear la
construcción. En invierno, el calor de hidratación
ayudara a proteger el concreto contra el daño provocado
por temperaturas de congelación. Sin embargo, el calor
puede ser en estructuras
masivas, tales como presas, porque puede producir esfuerzos
indeseables al enfriarse luego de endurecer. El cemento
Pórtland tipo 1 un poco mas de la mitad de su calor total
de hidratación en tres días. El cemento tipo 3, de
alta resistencia temprana, libera aproximadamente el mismo
porcentaje de su calor en mucho menos de tres días. El
cemento tipo 2, un cemento de calor moderado, libera menos calor
total que los otros y deben pasar mas de tres días para
que se libere únicamente la mitad de ese calor. El uso de
cemento tipo 4, cemento Pórtland de bajo calor de
hidratación, se debe de tomar en consideración
donde sea de importancia fundamental contar con un bajo calor de
hidratación.
Es importante conocer la velocidad de
reacción entre el cemento y el agua porque la velocidad de
terminada el tiempo de fraguado y de endurecimiento. La
reacción inicial debe ser suficientemente lenta para que
conceda tiempo al transporte y
colocación del concreto. Sin embargo, una vez que el
concreto ha sido colocado y terminado, es deseable tener un
endurecimiento rápido. El yeso, que es adicionado en el
molino de cemento durante la molienda del clinker, actúa
como regulador de la velocidad inicial de hidratación del
cemento Pórtland. Otros factores que influyen en la
velocidad de hidratación incluyen la finura de molienda,
los aditivos, la cantidad de agua adicionada y la temperatura de
los materiales en el momento del mezclado.
Campos De Aplicación
Se emplea en todo tipo de obra que no requiera de un cemento
especial, a saber :
- Estructuras de Hormigón Armado, pretensado y
postesado - Premoldeados
- Pavimentos, pistas de aeropuertos y
puentes - Canales y alcantarillas
- Trabajos de albañilería (carpetas,
morteros)
Por su elevada resistencia y rápida
evolución, se recomiendan especialmente para:
- Hormigones de alta resistencia
- Habilitación al tránsito
(fast-track). Pavimentos de hormigón donde se requiere
una rápida - Estructuras elaboradas con encofrados
deslizantes. - Hormigonados en períodos de baja
temperatura
Los hormigones elaborados con Cemento Pórtland
Normal poseen los máximos valores de
resistencia, permitiendo:
- Incrementar la seguridad,
si se mantiene la dosificación - Posibilitar, además, una durabilidad
mayor - Economizar el costo, si
se reduce el contenido de cemento
Los hormigones elaborados con Cemento Pórtland
Normal desarrollan una rápida evolución de
resistencia posibilitando :
- Acortar los tiempos de obra
- Habilitar más rápidamente la
obra - Reducir costos
- El Cemento Pórtland Normal es moderadamente
resistente a los sulfatos.
4. Normas de
calidad del
cemento pórtland
Análisis químico (ASTM C 114-16 T): Este
análisis consiste en un grupo de
procedimientos
de prueba por el que se determina cuantitativamente los
óxidos, álcalis y residuos del cemento. La
química de los cementos es una cuestión complicada,
por lo que es indispensable tener personal
especializado para ejecutar estos análisis.
Finura, superficie específica en centímetros
cuadrados por gramo. (Especificación ASTM C 115-58 o C
204-55) : Los dos aparatos más comunes para medir la
finura del cemento Pórtland son el turbidímetro de
Wagner y el aparato de Polaine para determinar la permeabilidad
del aire. El turbidímetro se basa en la teoría
de la sedimentación para obtenr la distribución de las partículas en
tamaños con la que se calcula la superficie
específica. Se dispersa una muestra de
cemento en keroseno en una probeta de vidrio y se mide
la velocidad de sedimentación por los cambios en la
intensidad de la luz que pasa a
través de la suspensión. En el método de
permeabilidad al aire se determina la superficie
específica haciendo pasar una cantidad definida de aire
por una muestra
preparada. La cantidad de aire que pasa es una función
del tamaño y distribución de las partículas.
Constancia de volumen (ASTM C
266-58 T o C 191-58): Las agujas de Gillmore y las de Vicat se
utilizan para determinar la rapidez con la que se endurece el
cemento Pórtland. Se prepara una muestra de pasta en
condiciones especificadas y se cura a humedad y temperatura
constantes. Se apoya la aguja de Gillmore o la de Vicat sobre la
pasta un tiempo determinado, y la penetración indica la
dureza o fraguado. La composición química, la
finura, el contenido de agua y la temperatura son factores
importantes que influyen en la duración del fraguado, y
como el fraguado es un punto muy importante, es importante que se
controle cuidadosamente.
Resistencia a la compresión en lb/pulg (ASTM C 109-58): La
muestra del cemento se mezcla con una arena silicosa y agua en
las proporciones preescritas y se moldean en cubos de 2x2x2
pulgadas. Estos cubos se curan y luego se prueban a la
compresión para obtener una indicación de las
características que sirven para desarrollar
la resistencia del cemento.
En este trabajado podemos observar el proceso de
manufactura
del cemento Pórtland, así como los principales
componentes y las propiedades químicas y físicas de
este cemento. Por lo que cabe en los campos de aplicación
determinamos que el cemento Pórtland es el de más
uso en común, además de su calidad podemos
observar un costo accesible,
por lo que lo hace el apropiado para construcciones en
general.
Las normas de calidad
que rigen que se señalan en este trabajo son las
más comunes, sin embargo, en cada planta procesadora de
cemento Pórtland se basan en pruebas
específicas de calidad, por lo que resulta un poco
difícil detallar todas las normas de cada una de las
plantas.
Podemos concluir que la hidrólisis y la hidratación
son los factores importantes en el endurecimiento del cemento, ya
que los productos que resultan de la hidratación tienen
muy baja solubilidad en el agua. Si esto no fuera cierto, el
concreto sería atacado rápidamente al contacto con
el agua.
The Chemical Process Industries.
R. Noris Shreve
Edt. McGraw-Hills
La química de los cementos
H. W. Taylor
Edit. URMO
Concretos de cemento Pórtland
Thomas D. Larson.
Enciclopedia de Tecnología
Química
Kirk- Othmer
Edit. UTEHA
Página en internet www. Google.com
Autor:
Sara Guadalupe Reyes Echavarria
Ingeniero Químico. Universidad
Veracruzana Poza Rica, Veracruz, México.