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Cemento Fabricación y Clasificación

PRESENTACIÓN

U

n puente, un edificio, un túnel, no sólo son construcciones que cada cierta distancia descubre el paisaje urbano o rural, para muchas personas significan unión, cercanía, calidad de vida, progreso. Así lo entendimos desde nuestros inicios, en 1957 (Creación de la Sociedad), con la primera planta de cemento en Talcahuano. Desde entonces participamos en el desarrollo de las grandes obras que traen crecimiento y desarrollo al país, siempre preocupados de proteger el medio ambiente y de responder a los más altos estándares de servicio, calidad y tecnología. Hoy Cementos Bío Bío es uno de los grandes productores de cemento, cal, hormigón premezclado y mortero seco predosificado. Con sus plantas de cemento ubicadas en Antofagasta, Curicó y Talcahuano cuenta la mayor capacidad instalada del país, siendo capaz de producir más de dos millones de toneladas de cemento al año. Calidad y homogeneidad son cualidades propias de nuestro cemento, ya que somos la única empresa que posee las mayores reservas y yacimientos propios de caliza, mineral utilizado para la producción de clínker y cal. Gracias a un exigente y permanente control de calidad entregamos un producto que supera las más altas expectativas de nuestros clientes, quienes encuentran en Cementos Bío Bío la confianza de trabajar con una empresa capaz de responder con eficiencia, sin importar la magnitud de la obra. El presente manual pretende, a través de definiciones, fotografías y dibujos esquemáticos entregar información para comprender el proceso industrial de fabricación y las propiedades de tan importante material como lo es el cemento en la construcción.

Autor: Arnoldo Bucarey C., Consultor Técnico, Cementos Bío Bío S.A. 6a Edición Corregida.

Cemento, fabricación y clasificación

1

CONTENIDOS

2

1.

Breve Historia.......................................................................... 3

2.

Definiciones............................................................................. 4

3.

Fabricación de cementos............................................................ 5

3.1

Fabricación de clínker

3.2

Molienda de cemento

3.3

Almacenamiento de cemento

3.4

Envasado y despacho

4.

Control de calidad.................................................................... 16

4.1

Tecnología Robótica - Planta Curicó

5.

Clases de cementos.................................................................... 17

5.1

Cementos Portland

5.2

Cementos con adiciones hidráulicas

5.3

Norma europea de cementos

6.

Propiedades generales de los cementos................................. 22

6.1

Finura

6.2

Peso específico absoluto o densidad real

6.3

Tiempo de fraguado

6.4

Consistencia normal

6.5

Resistencias mecánicas

6.6

Calor de hidratación

6.7

Resistencia al ataque químico

7.

Cementos normalizados en Chile............................................... 25

8.

Hidratación del cemento........................................................ 26

9.

Apéndice................................................................................. 28

9.1

Esquema del proceso de fabricación de cemento

9.2

Cementos fabricados por Cementos Bío Bío e Inacesa

Cemento, fabricación y clasificación

1. BREVE HISTORIA

E

n Egipto aparece la utilización del primer aglomerante mezclado con agua. Algunas pirámides fueron construidas utilizando yeso calcinado. Las primeras cales que se emplearon se remontan a los períodos griego y romano. Los griegos fueron los primeros en utilizar la cal calcinada mezclándola con arena y agua. Más tarde usaron la tierras de Santorín, la cual mezclada con la cal era capaz de endurecer bajo el agua o al aire. Posteriormente, los romanos emplearon cenizas volcánicas de Pozzuoli -de donde proviene el término “puzolana”- mezcladas con cal. Con estas mezclas se construyeron, entre otras obras, la Basílica de Constantinopla y el Coliseo. El cemento tal como lo conocemos hoy en día empezó a prepararse durante el siglo XVIII. En 1756, el inglés John Smeaton necesitó de un material que resistiera la acción del agua de mar. Para ello, mezcló cal, un poco de yeso y

puzolana proveniente de Italia. A este producto le agregó agua y lo utilizó en la reconstrucción de un faro. James Parker en 1796, descubrió que mezclando cal con puzolana obtenía un cemento semejante al romano. Joseph Apsdin, en 1824, obtuvo la primera patente para un producto que llamó cemento de Portland. Este era resultado de la mezcla en húmedo de arcilla con calcáreos, la cual se dejaba secar, para posteriormente ser sometido a cocción. El producto obtenido se molía, denominándolo cemento Portland, por su aspecto parecido al de unas piedras muy apreciadas del sector de Portland, en Inglaterra. Tanto las proporciones como la temperatura de cocción, Apsdin las mantuvo en secreto. En 1845, Isaac Charles Johnson redescubrió las proporciones de la mezcla y la temperatura de cocción, y se le declaró como el verdadero inventor del cemento Portland.

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2. DEFINICIONES 2.1.- Cemento: Es un material pulverizado que por adición de una cantidad conveniente de agua forma una pasta conglomerante capaz de endurecer tanto bajo el agua como en el aire (NCh 148, Of. 68). 2.2.- Cemento Portland: Es el que se obtiene por molienda conjunta de clínker y yeso (NCh, 148 Of. 68). 2.3.- Cementos con adiciones: Son productos que se obtienen por molienda conjunta de clínker, adiciones hidráulicas o potencialmente hidráulicas y yeso.

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2.4.- Clínker: Es el producto constituido principalmente por silicatos cálcicos; se obtiene por calentamiento de una mezcla homogénea finamente molida, en proporciones adecuadas, formada principalmente por óxido de calcio (CaO) y silicio (SiO2) y, en menores cantidades, por óxido de aluminio (Al2O3) y fierro (Fe2O3), hasta una temperatura que no podrá ser inferior a la temperatura de fusión incipiente (entre 1.400 y 1.500 oC) (NCh, 148 Of. 68).

3. FABRICACIÓN DE CEMENTOS

E

n la fabricación del cemento se distinguen dos etapas bien diferenciadas: Fabricación de clínker, que es el proceso que identifica a una industria de cemento y Molienda de cemento.

3.1.- Fabricación de clínker

3.1.1.- Materias Primas: Basándose en la definición que se diera para el clínker, las materias primas deben contener principalmente calcio y silicio y, en proporciones menores, aluminio y fierro, todos ellos mezclados en proporciones adecuadas. El calcio (CaO) se obtiene de depósitos calcáreos ricos en carbonato de calcio (CaCO3). Éste, por ser un compuesto muy estable a los agentes atmosféricos, se encuentra a través de toda la corteza terrestre como calizas, depósitos de conchuelas, etc., en yacimientos de leyes muy variadas. El carbonato de calcio cuya fórmula química es CaCO3, se descompone a altas temperaturas en cal (CaO) y anhídrido carbónico (CO2). El anhídrido carbónico es un gas que

escapa a la atmósfera junto con otros gases provenientes de la combustión. CaCO3

CaO + CO2

El silicio, el aluminio y el fierro se pueden obtener de las arcillas o de otros materiales que los contienen, tales como las escorias de altos hornos. También se puede dar el hecho que el mineral calcáreo contenga estos elementos como impurezas, en cantidades tales, que no es necesario utilizar arcillas. Muchas veces no basta con mezclar sólo dos componentes (caliza y arcilla o caliza y escoria de alto horno), sino que es necesario corregir los porcentajes, empleando otros materiales que tienen preferentemente el óxido que se desea corregir. Así, por ejemplo, se puede usar arena silícica (rica en silicio), mineral de hierro, caolín (compuesto de silicio y aluminio). En el lenguaje utilizado en la industria del cemento, al óxido de calcio (CaO) se le denomina “cal”, al óxido de silicio (SiO2) se le conoce como “sílice” y al óxido de aluminio (Al 2 O 3 ) como “alúmina”. Generalmente, en la química del cemento todos los elementos se expresan al estado de óxidos.

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Resumen de los óxidos principales de las materias primas: Calcáreos (caliza) CaO: óxido de calcio (cal) Arcillas/escorias de alto horno SiO2: óxido de silicio (sílice) Al2O3: óxido de aluminio (alúmina) Fe2O3: óxido de fierro Otros (correctores de dosificación) SiO2: óxido de silicio Al2O3: óxido de aluminio Fe2O3: óxido de fierro

3.1.2.- Tratamiento primario de materias primas: Dependiendo de la naturaleza de las materias primas y de las condiciones en que llegan a la planta de cemento, pueden sufrir uno o varios tratamientos primarios como:

· Prehomogeneización: mediante este tratamiento se logra obtener materias primas homogéneas en su estado granular. · Secado: tiene por objeto reducir la cantidad de agua que contienen las materias primas a límites compatibles con la buena marcha de los equipos. · Concentración de carbonato: se realiza cuando los materiales calcáreos son de bajo contenido de carbonato. Se emplean sistemas de flotación que permiten separar el carbonato de calcio del resto de los componentes del mineral. · Selección de acuerdo a composición química o características físicas: las materias primas, generalmente, se separan en canchas de acuerdo a sus características físicas, por ejemplo, calizas de alta ley, calizas de baja ley, etc.

· Cribado o harneado: tiene por objeto separar los trozos de mayor tamaño que puedan entorpecer el funcionamiento de los equipos. · Reducción de tamaño: esta reducción, mediante chancadores, tiene por objeto entregar al molino un material de tamaño apropiado. Foto 1: Acopio de Materias Primas.

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c.- tener presente que las relaciones de los óxidos condicionan la aptitud de clinkerización en la operación del horno (formación de anillos, formación o destrucción de la costra, exceso de cal libre, etc.). Estos fenómenos hacen necesario tener en consideración algunas relaciones, como: Dibujo 1: Corte esquemático de chancador.

Módulo hidráulico: MH = CaO 3.1.3.- Dosificación de materias primas: Las características y la calidad del clínker, como se verá más adelante, dependen de los compuestos mineralógicos y éstos dependen del porcentaje en que está presente cada uno de los óxidos antes mencionados. Para dosificar un crudo (mezcla de materias primas antes de pasar por el horno) será necesario tener en consideración lo siguiente:

SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 Módulo de silicato: MS = SiO2 Al2O3 + Fe2O3 Módulo de alúmina: MA = Al2O3 Fe2O3 Estándar de cal: EC = 100 CaO 2,8 SiO2 + 1,18 Al2O3 + 0,65 Fe2O3

a.- definir el tipo de clínker que se desea obtener. b.- conocer las características y cantidades de los otros materiales que se pueden agregar en el proceso, tales como polvos recuperados en el proceso que se reingresan y cenizas de carboncillo.

Tanto los porcentajes de los óxidos como sus relaciones, deben ser estrictamente controlados mediante el análisis químico de muestras representativas, en forma previa a la molienda y durante ella.

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Foto 2: Básculas dosificadoras de materias primas. Dibujo 3: Molino de crudo de rodillos.

3.1.4.- Molienda de crudo: La molienda de las materias primas tiene por objeto reducirlas de tamaño, a un estado pulverulento, para que puedan reaccionar químicamente durante la clinkerización. Esta se puede hacer en húmedo (vía húmeda) o en seco (vía seca). Foto 3: Molino de crudo de rodillos.

Dibujo 2: Corte esquemático de molinos de bolas.

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Cuando los materiales son desleíbles (que forman barro) o cuando es necesario concentrar el carbonato se utiliza la vía húmeda, que consiste en licuar las materias en grandes estanques circulares provistos de peines giratorios. Después, los materiales pasan a molinos de bolas, de donde se obtiene una pasta fluida que se prensa posteriormente para eliminar

parte del agua y se almacena hasta introducirla al horno en forma de nódulos. Si se utiliza la vía seca, la molienda se hace en molinos de rodillos o de bolas, obteniéndose en ellos un polvo fino de tamaño inferior a 150 micrones. Generalmente los molinos de vía seca están provistos de dispositivos que inyectan aire caliente para secar las materias primas, simultáneamente con la molienda.

COLECTOR DE POLVO

ENTRADA DE CRUDO

3.1.5.- Homogeneización: La homogeneización consiste en mezclar los distintos materiales, a tal punto que en cualquier porción de la mezcla que se tome deben estar presentes los componentes en las proporciones previstas. Cuando se usa la vía húmeda se emplean estanques agitadores mecánicos y cuando se usa la vía seca, se emplean silos donde el crudo se agita mediante la inyección de aire comprimido. Una buena homogeneización permite corregir las dosificaciones, mantener una operación adecuada del horno y prever la calidad del clínker. Por el contrario, una mala homogeneización puede dar lugar a clínker de mala calidad, cometer errores en los cambios de dosificación, dificultar la operación del horno e impedir las reacciones químicas de formación de clínker.

PLACAS DE AIREACIÓN

Dibujo 4: Corte esquemático del silo de homogeneización

3.1.6.- Almacenamiento de crudo: En la industria del cemento, la máquina más delicada y más cara es el horno. Su trabajo a alta temperatura y su revestimiento refractario obliga a una operación continua, debida a los serios riesgos que se corren en cada detención. Por ese motivo, se debe disponer de silos de almacenamiento de crudo, para asegurar una continuidad en el funcionamiento del horno, sin que éste

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se vea afectado por detenciones del molino de crudo. El número y capacidad de los silos de crudo se diseña para que el horno continúe trabajando por alrededor de 10 días después de detener el molino. 3.1.7.- Clinkerización: La clinkerización constituye la etapa más importante del proceso de fabricación de clínker. Los materiales homogeneizados se calientan hasta llegar a la temperatura de fusión incipiente (entre 1.400 a 1.500 ºC, parte del material se funde mientras el resto continúa en estado sólido), para que se produzcan las reacciones químicas que dan lugar a la formación de compuestos mineralógicos del clínker. Para calcinar los materiales se usan hornos rotatorios. Estos son tubos de acero montados sobre polines, revestidos interiormente por ladrillos refractarios, con una inclinación de 3 a 5%, accionados por motores que les permiten girar a una velocidad circunferencial del orden de 10 metros por minuto. Su diámetro (2 a 6 metros) y longitud (50 a 200 metros) dependen de la capacidad de producción. Como combustible, se puede usar petróleo, carbón pulverizado o gas, que se inyecta con aire en la zona más baja, donde se produce la combustión.

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Foto 4: Horno.

Los gases calientes atraviesan todo el horno y son enviados hacia la chimenea, pasando antes por equipos recuperadores de calor y de polvo. El material crudo se alimenta por la parte superior y, gracias al movimiento e inclinación del horno, se va desplazando lentamente, encontrándose cada vez con zonas de mayor temperatura hasta llegar a la zona de la llama, donde se produce la clinkerización.

Dibujo 5: Horno.

Anexo al horno mismo deben existir otros equipos, tales como:

· Sistema de alimentación que regula la cantidad de crudo que entra al horno. · Sistema de preparación e inyección del combustible. · Sistema recuperadores de calor de los gases. · Sistema de captación de polvo de los gases.

3.1.8.- Enfriamiento del clínker:

Para disminuir la longitud de los hornos y aprovechar el calor de los gases, los hornos modernos están provistos de torres de ciclones, por donde desciende el crudo y ascienden los gases calientes, permitiendo un contacto muy directo entre los gases y el crudo.

El enfriamiento se hace con aire que pasa a través de sistemas de parrilla móvil, o bien, a través de tubos planetarios que giran solidarios al horno. De estos sistemas, el clínker sale con una temperatura inferior a 150 ºC.

Al salir del horno, el clínker se debe enfriar rápidamente para evitar la descomposición del silicato tricálcico, en silicato bicálcico y cal libre: 3CaO · SiO 2

2CaO · SiO 2 + CaO

Según la temperatura que alcanza el crudo antes de entrar al horno, las torres se denominan precalentadores (el crudo alcanza temperaturas de hasta 700 ºC) o precalcinadores (la temperatura del crudo puede llegar a más de 1.000 ºC). A medida que el crudo avanza por las torres y por el horno va sufriendo diversas transformaciones: · Secado o pérdida del agua libre. · Deshidratación o pérdida de agua combinada. · Disociación del carbonato de calcio (CaCO 3 ) en óxido de calcio (CaO) y anhídrido carbónico (CO2). · Clinkerización o combinación de los diferentes óxidos para formar silicatos, aluminatos y ferroaluminatos de calcio.

Dibujo 6: Enfriador de clínker.

Dibujo 7: Esquema de enfriamiento de clínker.

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3.1.9.- Almacenamiento del clínker:

Silicato tricálcico C3S 3 CaO·SiO2

El clínker debe permanecer en canchas techadas durante algún tiempo, para que termine de enfriarse. El almacenamiento se debe hacer en lugares libres de contaminación y sin contacto con agua, ya que se puede producir una hidratación parcial de los compuestos. Sin embargo, pequeñas cantidades de agua pueden ser beneficiosas para hidratar la cal libre superficial y la magnesia, disminuyendo de esta manera su efecto expansivo.

Silicato bicálcico C2S 2 CaO·SiO2 Aluminato tricálcico C3A 3 CaO·Al2O3 Ferroaluminato tetracálcico C4AF 4 CaO·Al2O3·Fe2O3 C representa CaO / S representa SiO 2 A representa Al 2 O 3 / F representa Fe 2 O 3

Los dos primeros forman del orden del 75% del clínker.

Foto 5: Silos de clínker.

3.1.10.- Compuestos mineralógicos del clínker: Como ya se dijo, el clínker está formado principalmente por óxidos de calcio y silicio, y en menor proporción por óxidos de aluminio y fierro. Estos se combinan formando los siguientes compuestos:

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Además de estos compuestos mineralógicos principales, el clínker tiene otros componentes procedentes de las materias primas y del combustible. A ellos se les llama componentes secundarios, y son los siguientes: Magnesia

MgO

Sulfatos

SO3

Cal libre

CaO sin combinarse

Alcalis Otros óxidos

Na2O y K20 óxido de manganeso, óxido de vanadio, anhídrido fosfórico, etc.

La composición potencial del clínker se calcula a partir del análisis químico expresado como óxidos, mediante el método de Bogue, de la siguiente forma: C3S =

4,071 CaO – 7,600 SiO2 – 6,718 Al2O3 – 1,430 Fe2O3 – 2,852 SO3

C2S =

2,867 SiO2 – 0,7544 C3S

C3 A =

2,650 Al2O3 – 1,692 Fe2O3

C4AF = 3,043 Fe2O3 Las principales características de estos componentes mineralógicos se resumen en la siguiente tabla: Compuesto

Fraguado

Desarrollo de la resistencia

Contribución a la resistencia

Calor de hidratación

Estabilidad química

C 3S

Rápido

Rápido

Alta (a poca edad)

Alto

Buena

C 2S

Lento

Lento

Alta (a mayor edad)

Regular

Muy buena

C 3A

Muy rápido

Muy rápido

Baja

Muy alto

Mala

C4AF

Lento

Lento

Muy baja

Bajo

Buena

Los componentes secundarios modifican en parte las características del clínker y por tal motivo su cantidad debe ser limitada. Cabe destacar que tanto la cal libre como la magnesia se hidratan lentamente, produciendo expansión, cuando el hormigón ya está endurecido; otros compuestos, tales como los sulfatos y fósforos, perturban el fraguado y endurecimiento. Por otra parte, los álcalis pueden reaccionar con algunos áridos en el hormigón, provocando su destrucción.

3.2.- Molienda de cemento La segunda etapa en que se ha dividido la fabricación de cemento corresponde a la molienda. Esta consiste en reducir el clínker, yeso y otros componentes a polvo fino, inferior a 100 micrones. La molienda se realiza en molinos de bolas, que consisten en tubos de acero divididos en dos o tres cámaras, dentro de las cuales se colocan bolas de acero que ocupan aproximadamente un tercio del volumen del tubo. El molino gira y

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arrastra las bolas de acero, éstas chocan entre sí y contra la pared del tubo atrapando al material, provocando de esta forma la trituración y pulverización.

objeto separar las partículas finas y enviarlas como producto terminado, mientras que las partículas gruesas son devueltas al molino. Las cámaras de los molinos se cargan con bolas de distintos tamaños, de acuerdo a la granulometría del material.

Dibujo 8: Molino de cemento.

Los molinos pueden ser de “circuito abierto” donde el material entra por un extremo del molino y sale terminado por el otro, o bien, de “circuito cerrado”, donde los materiales entran por un extremo del molino y salen por el otro hacia separadores, los cuales tienen por

Foto 6: Molino de cemento.

La primera cámara se carga con bolas de mayor tamaño, mientras que, la última, de menor tamaño, llamada también de “refino”, puede cargarse con “clypebs”, que son pequeños cilindros de acero.

SEPARADOR

clínker

Yeso

Adición Hidráulica s ula rtíc as Pa rues g

MOLINO

Dibujo 9: Molino circuito cerrado.

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Ce

m

en

to

3.3.- Almacenamiento de cemento El producto que completó su etapa de fabricación en el molino de cemento es almacenado en silos de hormigón. Éstos tienen equipos auxiliares adecuados para mantener el cemento en agitación y así evitar la segregación por decantación de los granos gruesos o la aglomeración. En ellos, el cemento puede permanecer por varios meses sin que se afecte su calidad.

polipropileno deben cumplir con ciertos requisitos establecidos en la norma NCh 642. Por otra parte, el transporte a granel se hace en depósitos metálicos, que pueden ser herméticos y, en tal caso, se descargan con inyección de aire, o bien, en recipientes que se descargan por volteo. También se usan contenedores de fibra o plástico, denominados Big Bag o macrosacos.

Foto 8: Paletización.

Foto 7: Silos de cemento.

3.4.- Envasado y despacho El cemento se puede despachar en bolsas o a granel. Las bolsas de papel o

Foto 9: Envasado en Big Bag.

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4. CONTROL DE CALIDAD 4.1.- Tecnología Robótica Planta Curicó La tecnología robotizada minimiza la participación humana en la determinación de las muestras, como en la manipulación, preparación y análisis químico completo de las mismas, con lo que es posible eliminar o reducir en forma significativa los errores asociados a manipulación de muestras en laboratorios convencionales. Los datos de control de calidad que entrega el sistema robótico Robolab, pueden ser hora a hora o en fracciones de tiempo menores. La definición de la periodicidad de los controles queda a libre determinación, en función a las condiciones particulares del proceso, de acuerdo a análisis estadísticos del control. Esta tecnología permite disponer en forma oportuna y confiable de información sobre

Foto 10: Sistema robótico Robolab.

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calidad de productos intermedios y finales, lo cual hace posible aminorar las naturales distorsiones que se generan en algunas condiciones operacionales muy particulares, como, por ejemplo, los transientes al cambiar de un tipo de producto a otro “on line”. Adicionalmente, esta tecnología presenta además importantes ventajas para procesos en línea, dado que como su monitoreo abarca toda la línea de producción, las distorsiones en calidad se corrigen en el punto mismo en donde se producen, evitando que esa distorsión afecte a la etapa siguiente. Por lo tanto, esta tecnología permite un control anticipativo, similar al control automático “prealimentado”, garantizando una alta calidad y con mínimas desviaciones respecto de lo pretendido. Actualmente, esta tecnología robótica está implementada en modernas líneas de producción de cemento en el mundo, dentro de las cuales se encuentra la Planta de Curicó.

5. CLASES DE CEMENTOS

L

os cementos fabricados en base a clínker se pueden clasificar en dos categorías: · Cemento Portland. · Cemento con adiciones hidráulicas o potencialmente hidráulicas. 5.1.- Cementos Portland Los cementos Portland resultan de la molienda conjunta de clínker más un porcentaje de yeso para regular el fraguado. Sus características dependen de la composición potencial del clínker. Así, por ejemplo, si el clínker tiene un alto contenido de C3S, el cemento será de resistencias iniciales altas y tendrá un mayor calor de hidratación. Por el contrario, si tiene un alto contenido de C2S, tendrá buenas resistencias a largo plazo y bajo calor de hidratación. En cuanto a la resistencia a los sulfatos, ésta será inversa al contenido de C3A. Por este motivo, la norma norteamericana ASTM C-150 clasifica los cementos Portland en cinco tipos.

Cemento Portland Norma ASTM C-150

Tipo I Cemento Portland común, apto para toda obra que no requiera cementos con requisitos especiales. Tipo II Cemento Portland de moderado calor de hidratación y moderada resistencia a los sulfatos, con un contenido máximo de 8% de C3A. Tipo III Cemento Portland de alta resistencia inicial. Tipo IV Cemento Portland de bajo calor de hidratación, con contenidos máximos de 35% de C 3 S y 7% de C 3 A. Tipo V Cemento Portland resistente a los sulfatos, con un contenido máximo de 5% de C3A y la suma de C4AF + 2C3A, menor o igual a 20%.

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5.2.- Cementos con adiciones hidráulicas

combustión de carbón pulverizado, utilizado en centrales termoeléctricas.

Resultan de la molienda conjunta de clínker, yeso y una o más adiciones hidráulicas o potencialmente hidráulicas. Estos se clasifican en:

Estas cenizas tienen propiedades puzolánicas, por lo tanto, se pueden considerar como puzolanas artificiales. · Cementos siderúrgicos:

· Cementos puzolánicos: Producto de la molienda de clínker, puzolana y yeso. Se llama puzolana al material sílicoaluminoso que, aunque no posee propiedades aglomerantes por sí solo, las desarrolla cuando está finamente dividido y en presencia de agua, por reacción química con el hidróxido de calcio a temperatura ambiente (NCh 148, Of. 68). Las puzolanas aprovechan, para endurecer, el hidróxido de calcio (Ca(OH)2) generado por el clínker en el curso de su hidratación. La cantidad de puzolana en un cemento está limitada a un 50% del producto terminado, ya que una mayor cantidad no tendría suficiente Ca(OH)2 para reaccionar. · Cementos con cenizas volantes: Producto de la molienda conjunta de c l í n ke r, c e n i z a vo l a n t e y ye s o. Las cenizas volantes son polvos muy finos, arrastrados por los gases provenientes de una cámara de

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Cemento, fabricación y clasificación

Producto de la molienda conjunta de clínker, escoria básica granulada de alto horno y yeso. La escoria básica granulada de alto horno es “el producto que se obtiene por enfriamiento brusco de la masa fundida no metálica que resulta en el tratamiento del mineral de hierro en un alto horno” (NCh 148, Of. 68). Este material tiene como constituyentes principales, silicatos y silicioaluminatos de calcio y su composición es tal, que cumple con el siguiente requisito: CaO + MgO + Al2O3

1

SiO2 Esta escoria tiene propiedades conglomerantes por sí sola, es decir, que finamente molida reacciona como un verdadero cemento, pero con la particularidad de ser un cemento lento. Para transformarla en un cemento adecuado a los procesos constructivos actuales, se le agrega clínker, el cual acelera su hidratación.

· Cementos sideropuzolánicos: También llamados cementos siderúrgicos mixtos, resultan de la molienda conjunta de clínker, escoria básica granulada de alto horno, puzolana y yeso. La tendencia mundial, actualmente, es la de fabricar cementos con adiciones cuando éstas están disponibles. Las razones son de orden económico, ecológico y técnico: · Las adiciones son más económicas que fabricar clínker. · Se utilizan materiales que no tienen

otras aplicaciones nobles o que tienen que ser llevados a vertederos. · Estos cementos han demostrado tener muchas cualidades superiores a los cementos Portland, como por ejemplo: menor calor de hidratación, mayor resistencia química, lo que trae como consecuencia una mayor durabilidad y altas resistencias a largo plazo, además de una menor emisión de CO2 al ambiente. En Estados Unidos, los cementos con adiciones se fabrican bajo la norma ASTM C-595, la cual los clasifica de acuerdo a la siguiente tabla:

Norma ASTM C-595 (cementos con adiciones) Cemento tipo

Descripción

Escoria de alto horno

Puzolana

SM

Portland modificado con escoria de alto horno

hasta 25%

-

IS

Portland de escoria de alto horno

25 a 70%

-

PM

Portland modificado con puzolana

-

hasta 15%

IP

Portland puzolánico

-

15 a 40%

P

Portland puzolánico

-

15 a 40%

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5.3.- Norma europea de cementos El Comité Europeo de Normas aprobó la norma EN 197-1, en la cual se incluyen 27 tipos de cemento. Esta norma hace además la clasificación por resistencias en los grados 32,5, 42,5 y 52,5, cuya nomenclatura indica la resistencia característica a la edad de 28

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días del mortero normal, en MPa. A los grados indicados se les agrega la letra R cuando los cementos son de alta resistencia inicial. Se encuentra en preparación la norma para cementos especiales, tales como: cementos resistentes a los sulfatos y cementos de bajo calor de hidratación.

Cemento, fabricación y clasificación

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95-100

I

6-20

6-20

36-65

80-94

Cemento Portland - II/A-T esquisto calcinado

65-79

Cemento Portland - II/B-L caliza

Cemento compuesto (2)

Cemento puzolánico (2)

Cemento de alto horno

6-20

LL

0-5

Constit. minorit. adic.

0-5 0-5

18-30 31-50 30-50 V/B

0-5 36-55 18-30

0-5 10-35

0-5

0-5

0-5

0-5

0-5

0-5

0-5

20-38

81-95

21-35

0-5

0-5

0-5

21-35 21-35

0-5

6-20

0-5

0-5

0-5

0-5

0-5

0-5

0-5

0-5

0-5

40-64

45-64

65-90

5-19

20-34

66-80

21-35

65-79 35-64

6-20

80-94

65-79

6-20

L

Caliza

V/A

IV/B

IV/A

III/C

III/B

III/A

Cemento Portland II/B-M compuestos (2)

II/A-M

II/B-LL

80-94

80-94

II/A-L II/A-LL

65-79

II/B-T

II/A-W

21-35

Cemento Portland - II/B-V ceniza volante

21-35

65-79

65-79

II/A-V

II/B-W

80-94

II/B-Q

6-20

21-35

65-79

80-94

6-20

21-35

80-94

65-79

Esquistos calcinados T

0-5

cálcicas W

Cenizas Volantes silíceas V

0-5

natural calcinadas Q

Puzolana natural P

21-35 6-10

Humo de Sílice D (1)

6-20

Escoria de Alto Horno S

II/A-Q

Cemento Portland - II/B-P puzolana

80-94

90-94

Cemento Portland - II/A-D humo de sílice

II/A-P

65-79

II/B-S

80-94

clínker K

Notación

Cemento Portland - II/A-S escoria

Cemento Portland

Designación

Los valores de la tabla se refieren a la suma de los componentes principales y minoritarios (proporción en masa). (1) El porcentaje de humo de sílice está limitado al 10%. (2) En cementos Portland compuestos CEM II/A-M y CEM II/B-M, en cementos puzolánicos CEM IV/A y CEM IV/B y en cementos compuestos CEM V/A y CEM V/B los componentes principales además del clínker deben ser declarados en la designación del cemento.

V

IV

III

II

I

Tipo de Cemento

Norma UNE-EN 197-1:2000

6. PROPIEDADES GENERALES DE LOS CEMENTOS 6.1.- Finura El tamaño de los granos de cemento está comprendido entre 2 y 100 micrones. Estos son más activos cuando su tamaño está comprendido entre 3 y 30 micrones. Los granos menores a 3 micrones se hidratan casi instantáneamente al entrar en contacto con el agua, mientras que los superiores a 60 micrones son prácticamente inertes, ya que su hidratación es extremadamente lenta. La finura se puede medir por diversos métodos: · Tamizaje (sólo hasta cierto tamaño, NCh 150, Of. 70). · Superficie específica (permeabilímetro Blaine NCh, 159 Of. 70). · Turbidimetría (turbidímetro de Wagner NCh 149, Of. 72). · Otros (sedimentación, rayos láser).

Foto 11: Blaine.

22

Cemento, fabricación y clasificación

Foto 12: Granulómetro láser.

6.2.- Peso específico absoluto o densidad real Se llama peso específico absoluto o densidad real, a la relación entre el peso del cemento y el volumen real que ocupan los granos. Este se determina en el matraz de Le Chatelier, en el cual se mide el desplazamiento de un líquido producido por 64 g de cemento (NCh 154, Of. 69). En los cementos Portland, el peso específico debe ser igual o superior a 3 g/ml y en los cementos con adiciones puede ser menor o mayor según la adición empleada, pero siempre será cercano a 3 g/ml (3 kg/l). La densidad aparente suelta es del orden de 1 kg/litro.

6.4.- Consistencia normal Es la cantidad de agua expresada como porcentaje del peso del cemento, que confiere a la pasta una plasticidad determinada. La consistencia normal se determina con la sonda de Tetmejer.

Foto 13: Matraz de Le Chatelier.

6.3.- Tiempo de fraguado Es el tiempo que transcurre entre el instante en que el cemento se mezcla con el agua para formar una pasta y el momento en que la pasta pierde su plasticidad. Se determina con un instrumento denominado Aparato de Vicat y consiste en una aguja de 1 mm2 de superficie con un peso de 300 g, la cual se hace penetrar en la pasta de consistencia normal colocada en un molde.

Esta consiste en un vástago pulido de 1 cm de diámetro que se hace penetrar en la pasta con un peso de 300 g. Se considera que la pasta tiene consistencia normal cuando la sonda se detiene a 6 mm del fondo (NCh 151, Of. 68). 6.5.- Resistencias mecánicas Los cementos deben ser capaces de conferir resistencias iguales o superiores a las indicadas por las normas, en probetas preparadas con un mortero cuyos componentes, fabricación, conservación y ensayos están normalizados (NCh 158, Of. 67).

Al momento en que la aguja se detiene a 4 mm del fondo, se le considera como tiempo de “principio de fraguado” y cuando la aguja penetra solamente 0,5 mm se considera como tiempo de “fin de fraguado” (NCh 152, Of. 70).

Los cementos van adquiriendo resistencia progresivamente con el tiempo. A este fenómeno se le conoce como curva de resistencia del cemento.

El principio de fraguado en los cementos de alta resistencia no puede ser inferior a 45 minutos y en los cementos corrientes debe ser a lo menos de 1 hora.

El endurecimiento de los cementos se produce por reacciones químicas entre los compuestos mineralógicos del cemento y el agua de amasado. Estas

6.6.- Calor de hidratación

Cemento, fabricación y clasificación

23

reacciones químicas transforman a los componentes anhídridos inestables en compuestos hidratados estables. Las reacciones químicas se producen con desprendimiento de calor. Según la proporción en que esté presente cada uno de los compuestos principales del clínker, será el calor resultante desprendido por el cemento, de tal forma que habrá cementos de bajo calor de hidratación, mediano calor de hidratación o de alto calor de hidratación. Cementos de bajo calor de hidratación son aquellos que desprenden menos de 70 cal/g a los 7 días. 6.7.- Resistencia al ataque químico Los cementos pueden ser atacados por ciertos productos químicos, entre los cuales, los de mayor interés de analizar son: · Ataque por aguas ácidas: en general los ácidos disuelven a los cementos, con mayor o menor velocidad, según sea el ácido y su concentración.

24

Cemento, fabricación y clasificación

· Ataque de sulfatos: atacan el C 3 A formando sales expansivas que destruyen el hormigón. · Ataque de aguas puras: las aguas muy puras son ávidas de sales y disuelven principalmente el hidróxido de calcio generado por el clínker durante su hidratación. · Reacción álcalis–áridos: algunos áridos contienen sílice reactiva que se combina con el álcalis del cemento, provocando una expansión del hormigón. · Permutación de cationes: cationes tales como el del magnesio (M ++ ) que contienen algunas aguas, se intercambian con los cationes de calcio, dando origen a una acción destructiva. · Carbonatación: el hidróxido de calcio generado por el clínker durante su hidratación se puede transformar en carbonato de calcio (CaCO3), por acción del anhídrido carbónico (CO2) del aire.

7. CEMENTOS NORMALIZADOS EN CHILE

E

n Chile está vigente la norma NCh 148, Of. 68 (Cemento. Terminología, Clasificación y Especificaciones Generales). En ella se definen algunos términos, se clasifican según sus componentes y según sus resistencias. Se fijan los límites de las características físicas (propiedades físicas y mecánicas) y de los componentes secundarios (requisitos químicos).

· Cementos con Agregado Tipo A: subdivididos en “Portland con agregado tipo A”, si el contenido del agregado es inferior a 30%, y “Con agregado tipo A” si está comprendido entre el 30 y el 50%. Cabe hacer notar que el “agregado tipo A” es un producto chileno que se usó por varios años, pero que se ha dejado de usar. · Cementos Puzolánicos: subdividido en “Portland puzolánico”, si la puzolana incorporada es menor a un 30%, y “Puzolánico”, si se incorpora entre el 30 y el 50% del producto terminado.

De acuerdo a los componentes, esta norma clasifica a los cementos de la siguiente forma: · Cementos Portland: obtenidos por la molienda de clínker más un porcentaje de yeso para regular el fraguado. · Cementos Siderúrgicos: subdivididos en “Portland siderúrgico”, si el contenido de escoria de alto horno es inferior al 30%, y “Siderúrgico”, si está comprendido entre el 30 y el 75%.

De acuerdo a esta norma, los cementos se clasifican igualmente según sus resistencias, en dos grados: · Cementos corrientes. · Cementos de alta resistencia. Los valores mínimos en kgf/cm 2 que 2deben cumplir los cementos son los indicados en la siguiente tabla:

Resistencia mínima en kgf / cm22 Ensayo NCh 158, Of. 67 Compresión Flexión

a 7 días

a 28 días

Corriente

180

250

De alta resistencia

250

350

Corriente

35

45

De alta resistencia

45

55

Grado

Cemento, fabricación y clasificación

25

8. HIDRATACIÓN DEL CEMENTO

L

os cementos son sistemas químicos de componentes anhídridos inestables, que al combinarse con agua forman compuestos hidratados estables. Las reacciones de hidratación de un cemento son bastante complejas, pero como una simplificación se aceptan como válidas para el C3S y C2S las siguientes:

El C 3 A y el C 4 AF también forman productos hidratados, pero, como se mencionó antes, su contribución a las resistencias es limitada.

·C2S: 2(2CaO·SiO2) + 4 H20 3CaO·2SiO2·3H2O + Ca(OH)2

El aluminato tricálcico hidratado en presencia de aguas con sulfatos se combina con los sulfatos dando origen a una sal altamente expansiva llamada etringita, que provoca la destrucción del hormigón.

Estas reacciones de hidratación forman co mpu esto s hidrat ados del t ipo tobermorita, que tienen la propiedad de adherirse a los granos de áridos, formando una red resistente.

En los cementos puzolánicos se combina la puzolana con el hidróxido de calcio (Ca(OH)2) y con el agua, dando origen a compuestos hidratados estables y resistentes.

Queda como producto de la hidratación el hidróxido de calcio o portlandita (Ca(OH)2) que le otorga un pH alto a la solución, creando un medio apropiado para la estabilidad de las enfierraduras del hormigón armado.

Al mezclar cemento con agua se forma primero pasta plástica, cohesiva, moldeable y permanece con estas características durante un período de tiempo, hasta que, llegado un instante, pierde la plasticidad y se empieza a poner rígida al mismo tiempo que desarrolla calor. Este es el momento que se considera como principio de fraguado y a partir del cual no se debe trabajar la pasta o el mortero u hormigón fabricado con ella.

·C3S: 2(3CaO·SiO2) + 6H20 3CaO·2SiO2·3H2O + 3Ca(OH)2

Sin embargo, el hidróxido de calcio es inestable bajo ciertas condiciones y se puede carbonatar con el CO2 del aire o puede ser disuelto por aguas puras o aciduladas, o bien, puede intercambiar su catión Ca++ por otro, tal como el

26

Mg++, dando origen a productos solubles o no aglomerantes.

Cemento, fabricación y clasificación

El principio de fraguado se produce entre 1 y 2 horas entre los cementos de fraguado rápido y en 3 a 5 horas en los cementos de fraguado más lento. La hidratación de los compuestos mineralógicos es lenta (en casos extremos puede durar años). Sin embargo, se considera que en los cementos Portland corrientes, el 80% se hidrata antes de 28 días y, por lo tanto, se ha fijado esa edad para verificar o medir las resistencias.

Las reacciones de hidratación se desarrollan con desprendimiento de calor y retracción. Estas propiedades deben ser consideradas en los proyectos para controlar algún efecto negativo derivado de una contracción térmica posterior. Mantener la pasta, los morteros u hormigones en ambiente saturado de humedad mientras se desarrollan las reacciones de hidratación conducirá a disminuir las retracciones y a aumentar las resistencias.

Cemento, fabricación y clasificación

27

9. APÉNDICE

S

iendo el cemento un material necesario para construir las obras de infraestructura de un país, el consumo per cápita es un índice que permite señalar el grado de desarrollo de una nación.

per cápita superiores a 450 kg/habitante/año llegando hasta 800 kg/habitante/año. La producción mundial de cemento ha mantenido un crecimiento de 2 a 3% anual y actualmente supera los 2.000 millones de toneladas al año. Por lo tanto, es un material que difícilmente se podrá sustituir.

Los países desarrollados tienen consumos

Producción Mundial de Cemento (MM ton)

2.500

2.000

1.500

1.000

500 1913

28

1920

1950

Cemento, fabricación y clasificación

1980

1990

2000 2001

2002

2003 2004

Cemento, fabricación y clasificación

29

9.1 ESQUEMA DEL PROCESO DE FABRICACIÓN DE CEMENTO

9.2 CEMENTOS FABRICADOS POR CEMENTOS BÍO BÍO E INACESA

MARCA

CLASE

GRADO

COMPOSICIÓN

30

Cemento Bío Bío Especial

Cemento Bío Bío Alta Resistencia

Puzolánico

Portland puzolánico

Corriente

Alta resistencia

clínker

puzolana

65% 45%

30% 50%

clínker 65%

Cemento, fabricación y clasificación

puzolana

30%

Cemento Bío Bío Especial

Siderúrgico

Corriente

clínker

escoria

65% 20%

30% 75%

Cemento Bío Bío Alta Resistencia Inicial

Cemento Inacesa Especial

Cemento Inacesa Alta Resistencia

Portland Siderúrgico

Puzolánico

Portland puzolánico

Alta resistencia

Corriente

Alta resistencia

clínker 65%

escoria

30%

clínker

puzolana

65% 45%

30% 50%

clínker 65%

puzolana

30%

Gerencia Comercial Zona Centro Barros Errázuriz 1968, piso 7 Providencia Santiago, Chile Teléfono: (56-2) 560 70 11 / Fax: (56-2) 560 70 01 Planta Curicó Km. 173, 6 Ruta 5 Sur. Teno, Chile Teléfono: (56-75) 20 7000 / Fax: (56-75) 20 7900 Servicio al cliente: 800 720 720 Más información en: www.cbb.cl