Indice1. 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.