Proyecto: convenio UNNSM y FIC
En la visita a la universidad nacional mayor de san marcos nos encontramos con el avance de la obra de ampliación del sector administrativo que contando con un presupuesto de alrededor de un millón setecientos mil soles, cuenta con cuatro pisos donde el material que se usa es el, cemento, el fierro, arena gruesa, fina ladrillos de techo, de pared etc. Pero entre ellos analizaremos al cemento unos de los elementos más importantes de la construcción.
¿Qué es el cemento?
El cemento es un producto artificial que se obtiene de la transformación de una materia prima que puede estar compuesta de una mezcla de calizas, arcillas, y otros minerales, o simplemente de calizas. Esta materia prima finamente molida y homogeneizada, es llevada a altas temperaturas, a través de un horno (rotativo o vertical), de donde ese obtiene un producto intermedio denominado clinker, del cual, al molerse finalmente con alrededor de 5% en peso de yeso, se obtiene el cemento.
Los elementos minerales principales que debe contener la materia prima son: el calcio, el aluminio, la sílice, y el hierro. Ellos se encuentran en forma de óxidos y tienen que estar relacionados entre si en proporciones establecidas, con el objeto de dar determinadas características al clinker que de ellos se obtiene.
Materias primas para la fabricación del cemento Pórtland
Para fabricar cemento Pórtland existen recursos minerales de origen natural (rocas y arcillas) y productos secundarios de la industria (escorias, cenizas, lodos) los componentes pueden ser:
Componente calcáreo._en los materiales de partida se tienen un componente rico en cal con otro pobre de cal, peo que contiene alumina y óxidos de hierro.
Entre los componentes tenemos:
a) Caliza._que viene ha ser el carbonato de calcio que abunda en la naturaleza.
b) La creta._es una roca sedimentaria. En oposición a la caliza la creta posee una estructura suelta, terrea; esta propiedad califica ala creta de modo especial para la
fabricación del cemento por la vía húmeda.
c) La marga._son calizas que van acompañadas de sílice y productos arcillosos, así como de óxidos de hierro. Las margas formas el peso de transición de las arcillas. Debido a su abundancia, las margas de utilizan con mucha frecuencia como materia prima para la fabricación de cemento, porque contiene el material calcáreo y arcilloso en estado homogeneizado. Las margas son productos de sedimentación geológicas. Según que prevalezcan los compuestos calcáreos los arcillosos, se denominan margas calcáreas o marga arcillosa.
Componentes arcillosos._la alumina se encuentra en la naturaleza como componente de la racilla en su forma mas pura la arcilla se encuentra como caolinita. La caolinita es el constituyente principal del caolín, producto de la disgregación de las rocas (feldespatos principalmente), atacadas por los agentes atmosféricos bajo determinadas condiciones geológicas.
Componentes correctores._se añaden en los casos en que la materias primas disponibles no contienen la cantidad suficiente de uno de los químicamente necesarios en el crudo. Los principales materiales correctores son: diatomeas bauxita, cenizas volantes, cenizas de pirita, mineral de hierro, polvo de tragante de alto horno, arena.
Componentes adicionados._oxido de magnesio, álcalis, azufre, cloruros, fluoruros.
Procesos de fabricación
La fabricación del cemento Pórtland es un proceso tecnológico complejo que requiere gran cantidad de energía y comprende las siguientes operaciones:
1) Extracción de la cantera y transporte de las materias primas: caliza y arcilla hacia la fábrica. Se trituran primero por separado en una chancadora de martillo.
2) Preparación de la mezcla cruda: consiste en un secado previo, luego en una molienda fina de molinos de bolas. Después, se llevan en las cantidades previamente calculadas a un silo con un depósito de mezclado en el que se consigue una mezcla íntima y homogénea. Las materias prima en la mezcla cruda están en la relación de 3:1, 7.5% de caliza y 25% de arcilla. En esta operación se introducen aditivos que corrigen la composición química, a fin de regular la temperatura de sinterización de la mezcla y la cristalizaron de lo minerales del clinker, estos aditivos son el oxido de silicio, Trípoli, escoria de pirita, etc.
3) Cocción de la mezcla cruda o calcinación hasta la sinterización: se realiza generalmente en hornos rotatorios (proceso seco). En los hornos rotatorios existen zonas de temperaturas en función del carácter de los procesos que transcurren según el principio de contracorriente frente a la materia prima. Examinemos este proceso:
a) Zona de calentamiento._desde el silo, la mezcla llega a un depósito desde donde se alimenta continuamente al horno rotatorio. Previamente transcurre el secado de la materia prima que ingresa con aumento paulatino de temperatura en una cámara de tostacion a partir de 70, 200 hasta llegar a 700, este calentamiento es en contracorriente con los gases precedentes del hormo, con lo que el polvo se transforma en granos.
En esta zona se queman las impurezas orgánicas que acompañan a la mezcla. Así mismo se separa el agua cristalo-química de los minerales arcillosos (450- 500 C) y se forma el anhídrido caolinico Al2O3.2SiO2 y otros compuestos semejantes.
b) Zona de calcinación._ la temperatura del material a cocer aumenta de 700 a 1100 C en el horno rotatorio donde, debido a la ligera inclinación van avanzando lentamente en dirección a la llama del quemador (9-13); a esta temperatura culmina la disociación del carbonato de calcio y magnesio y aparece una cantidad considerable de CaO libre esta disociación es un proceso endotérmico que transcurre con gran consumo de calor. En esta misma zona tiene lugar la descomposición de los minerales arcillosos deshidratados, en los óxidos SiO2, Al2O3, Fe2O3, los cuales entran en reacción química con el CaO, como resultado de estas reacciones se forman los minerales de aluminato tri calcio 3CaO.Al2O3.
c) Zona de reacciones exotérmicas._ (1100-1250C) Tiene lugar las reacciones en fase sólida donde se forman 3CaO.Al2O3; 4CaO.Al2O3.Fe2O3 y la belita 2CaO.SiO2.Estas reacciones son con gran desprendimiento de calor.
d) Zona de sinterización._ (1300-1400-1300C) La temperatura del material sometido a la cochura alcanza al máximo valor (1450C) necesario para la fusión parcial del material y la formación del mineral principal del clinker, la alita (silicato tricalcico) 3CaO.SiO2. Al inicio de la sinterización a 1300C, se forma un masa fundida de minerales, (a temperatura relativamente baja de fusión) 3CaO.Al2O3.Fe2O3; así como el MgO e impurezas fusibles. Al aumentar la temperatura hasta 1450C, en el liquido del clinker se disuelven 2CsO.SiO2 y el CaO y a base de estos componentes en la masa fundida tiene lugar la formación de la alita 3CaO.SiO2, que transcurre casi hasta la total fijación del CaO (el clinker contiene no mas de 0.5-1% de CaO libre). La reducción de la temperatura de 1450 a 1300C provoca la cristalización de 3CaO.Al2O3; 4CaO.Al2O3.Fe2O3 y MgO (periclasa) que se encuentra en la masa fundida.
e) Zona de enfriamiento._ la temperatura del clinker desciende de 1300 a 1000C aquí se forma por completo su estructura y composición del clinker en la cual figura la alita C3S, la belita C2S, C3A, C4AF y MgO y otros componentes secundarios. El clinker de cemento verde oscuro o gris en forma de granos pétreos sale del horno y se enfría de 1000 a 100C y se refrigera en un segundo tambor rotatorio (14). Acto seguido se guarda durante 1-2 semanas en el almacén.
-Molienda._ La molienda del clinker se realiza en molinos tubulares (de bolsas) rotatorios (15) hasta obtener un finísimo polvo de color gris oscuro o gris verdoso. Antes de la molienda fina se le adiciona entre 2 a 3% de yeso para aumentar el poder de aglutinación, y retardar el fraguado. En esta etapa se incluyen los aditivos según el análisis requerido.
El cemento así obtenido se almacena en silos hasta su enfriamiento e hidratación de los restos de CaO libre, que transcurre bajo la acción de la humedad del aire. De los silos el cemento se envían a maquinas que la pesan y envasan en bolsas de 42.5 Kg.
Fases minerales del clinker: su composición.
Al combinarse durante el proceso de sinterización en el horno los cuatro elementos: silicio, aluminio y hierro; se producen cuatro nuevos compuestos mineralógicos principales en el clinker, que son:
- EL SILICATO TRICALCICO 3CaO.SiO2 (C3S) * ALITA
- EL SILICATO BICALCICO 2CaO.SiO2 (C2S) * BELITA
- EL ALUMINATO TRICALCICO 3CaO.Al2O3 (C3S) *
- EL FERRO-ALUMINATO TETRACALCICO 4CaO.AL2O3.FeO3 (C4AF)*
Ellos, son los que le dan las características de comportamiento, al clinker obtenido de las materias primas que se utilizan en cada fábrica de cemento. Por su importancia pasaremos a describir brevemente sus características individuales.
a) Silicato Tricalcico._ El contenido de este silicato tricalcico, puede variar entre el 40 y 50%, cuando es mas alto, se obtiene un mas rápido desarrollo de las resistencias iniciales, (a los 3 y 7dias), incrementándose el calor de hidratación, que llega a 380 J/gr. A los 28 días.
b) Silicato bicalcico._ este silicato, que con el anterior son los dos compuestos mayoritarios y principales del clinker, y que determinan las características de comportamiento de las resistencias a la compresión, se encuentra presente entre el 10 y el 30% del total de la composición. A diferencia del silicato tricalcico, su desarrollo de residencias es lento en las edades iniciales, y por lo tanto s menor su calor de hidratación, que llega hasta 105 J/gr. A los 28 días. La suma entre el silicato tricalcico y el bicalcico es de alrededor de 70 a 75% del total de la composición del clinker.
c) Aluminato tricalcico._ su contenido puede variar entre 7 y 15%. Su efecto en relación a la resistencia ala compresión, es a aumentarla ala edad inicial de 24 horas y 3 días. En ausencia de yeso, la reacción del C3A con el agua es muy violenta y conduce al endurecimiento inmediato de la pasta. Con el yeso forma un compuesto expansivo denominado Etringita, dañino para el concreto. Desarrolla una gran velocidad de hidratación y su calor de hidratación es muy elevado, llegando hasta 1380 J/gr. A los 28 días.
Procesos de fraguado y endurecimiento del cemento
Para el caso del cemento Pórtland, las reacciones entre el agua y los compuestos presentes en el cemento, originan el fraguado y endurecimiento del material. El efecto del agua es de dos tipos de HIDRATACION y de HIDRÓLISIS.
- el aluminato tricalcico reacciona con el agua formando un compuesto hidratado:
3CaO.Al2O3 + 6H2O -------> 3CaO.Al2O3.6H2O -----> cristalización
Esta reacción es probablemente, responsable de un fraguado inicial del cemento.
el silicato tricalcico reacciona con mayor lentitud sufre tanto hidratación como hidrólisis. Aproximadamente puede representarse:
2(3CaO.SiO2) +nH2O------>3CaO.2SiO2.nH2O + 3Ca(OH)2
- formación de la sal. Esta reacción puede ser responsable de la dureza que adquiere el cemento al cabo de pocos días. Dos teorías se han propuesto para explica las causas de endurecimiento. La más antigua considera que la solidificación se debe a la formación de una masa enmarañada de cristales. La otra teoría considera, que el agua reacciona en la superficie de los granos de cemento para producir un material gelatinoso o gel, actuando como un material cementante entre los granos, que la perder lentamente le agua endurecen. Por lo tanto se cree que durante el fraguado y endurecimiento del cemento Pórtland, se genera tanto una formación tanto de gel como una cristalización.
- En el proceso de retardo del fraguado, se postula la formación del sulfoaluminato tricalcico 3Ca.Al2O3 + CaSO4.xH2O------>3CaO.Al2O3.CaSO4.xH2O
En la visita a la universidad nacional mayor de san marcos nos encontramos con el avance de la obra de ampliación del sector administrativo que contando con un presupuesto de alrededor de un millón setecientos mil soles, cuenta con cuatro pisos donde el material que se usa es el, cemento, el fierro, arena gruesa, fina ladrillos de techo, de pared etc. Pero entre ellos analizaremos al cemento unos de los elementos más importantes de la construcción.
¿Qué es el cemento?
El cemento es un producto artificial que se obtiene de la transformación de una materia prima que puede estar compuesta de una mezcla de calizas, arcillas, y otros minerales, o simplemente de calizas. Esta materia prima finamente molida y homogeneizada, es llevada a altas temperaturas, a través de un horno (rotativo o vertical), de donde ese obtiene un producto intermedio denominado clinker, del cual, al molerse finalmente con alrededor de 5% en peso de yeso, se obtiene el cemento.
Los elementos minerales principales que debe contener la materia prima son: el calcio, el aluminio, la sílice, y el hierro. Ellos se encuentran en forma de óxidos y tienen que estar relacionados entre si en proporciones establecidas, con el objeto de dar determinadas características al clinker que de ellos se obtiene.
Materias primas para la fabricación del cemento Pórtland
Para fabricar cemento Pórtland existen recursos minerales de origen natural (rocas y arcillas) y productos secundarios de la industria (escorias, cenizas, lodos) los componentes pueden ser:
Componente calcáreo._en los materiales de partida se tienen un componente rico en cal con otro pobre de cal, peo que contiene alumina y óxidos de hierro.
Entre los componentes tenemos:
a) Caliza._que viene ha ser el carbonato de calcio que abunda en la naturaleza.
b) La creta._es una roca sedimentaria. En oposición a la caliza la creta posee una estructura suelta, terrea; esta propiedad califica ala creta de modo especial para la
fabricación del cemento por la vía húmeda.
c) La marga._son calizas que van acompañadas de sílice y productos arcillosos, así como de óxidos de hierro. Las margas formas el peso de transición de las arcillas. Debido a su abundancia, las margas de utilizan con mucha frecuencia como materia prima para la fabricación de cemento, porque contiene el material calcáreo y arcilloso en estado homogeneizado. Las margas son productos de sedimentación geológicas. Según que prevalezcan los compuestos calcáreos los arcillosos, se denominan margas calcáreas o marga arcillosa.
Componentes arcillosos._la alumina se encuentra en la naturaleza como componente de la racilla en su forma mas pura la arcilla se encuentra como caolinita. La caolinita es el constituyente principal del caolín, producto de la disgregación de las rocas (feldespatos principalmente), atacadas por los agentes atmosféricos bajo determinadas condiciones geológicas.
Componentes correctores._se añaden en los casos en que la materias primas disponibles no contienen la cantidad suficiente de uno de los químicamente necesarios en el crudo. Los principales materiales correctores son: diatomeas bauxita, cenizas volantes, cenizas de pirita, mineral de hierro, polvo de tragante de alto horno, arena.
Componentes adicionados._oxido de magnesio, álcalis, azufre, cloruros, fluoruros.
Procesos de fabricación
La fabricación del cemento Pórtland es un proceso tecnológico complejo que requiere gran cantidad de energía y comprende las siguientes operaciones:
1) Extracción de la cantera y transporte de las materias primas: caliza y arcilla hacia la fábrica. Se trituran primero por separado en una chancadora de martillo.
2) Preparación de la mezcla cruda: consiste en un secado previo, luego en una molienda fina de molinos de bolas. Después, se llevan en las cantidades previamente calculadas a un silo con un depósito de mezclado en el que se consigue una mezcla íntima y homogénea. Las materias prima en la mezcla cruda están en la relación de 3:1, 7.5% de caliza y 25% de arcilla. En esta operación se introducen aditivos que corrigen la composición química, a fin de regular la temperatura de sinterización de la mezcla y la cristalizaron de lo minerales del clinker, estos aditivos son el oxido de silicio, Trípoli, escoria de pirita, etc.
3) Cocción de la mezcla cruda o calcinación hasta la sinterización: se realiza generalmente en hornos rotatorios (proceso seco). En los hornos rotatorios existen zonas de temperaturas en función del carácter de los procesos que transcurren según el principio de contracorriente frente a la materia prima. Examinemos este proceso:
a) Zona de calentamiento._desde el silo, la mezcla llega a un depósito desde donde se alimenta continuamente al horno rotatorio. Previamente transcurre el secado de la materia prima que ingresa con aumento paulatino de temperatura en una cámara de tostacion a partir de 70, 200 hasta llegar a 700, este calentamiento es en contracorriente con los gases precedentes del hormo, con lo que el polvo se transforma en granos.
En esta zona se queman las impurezas orgánicas que acompañan a la mezcla. Así mismo se separa el agua cristalo-química de los minerales arcillosos (450- 500 C) y se forma el anhídrido caolinico Al2O3.2SiO2 y otros compuestos semejantes.
b) Zona de calcinación._ la temperatura del material a cocer aumenta de 700 a 1100 C en el horno rotatorio donde, debido a la ligera inclinación van avanzando lentamente en dirección a la llama del quemador (9-13); a esta temperatura culmina la disociación del carbonato de calcio y magnesio y aparece una cantidad considerable de CaO libre esta disociación es un proceso endotérmico que transcurre con gran consumo de calor. En esta misma zona tiene lugar la descomposición de los minerales arcillosos deshidratados, en los óxidos SiO2, Al2O3, Fe2O3, los cuales entran en reacción química con el CaO, como resultado de estas reacciones se forman los minerales de aluminato tri calcio 3CaO.Al2O3.
c) Zona de reacciones exotérmicas._ (1100-1250C) Tiene lugar las reacciones en fase sólida donde se forman 3CaO.Al2O3; 4CaO.Al2O3.Fe2O3 y la belita 2CaO.SiO2.Estas reacciones son con gran desprendimiento de calor.
d) Zona de sinterización._ (1300-1400-1300C) La temperatura del material sometido a la cochura alcanza al máximo valor (1450C) necesario para la fusión parcial del material y la formación del mineral principal del clinker, la alita (silicato tricalcico) 3CaO.SiO2. Al inicio de la sinterización a 1300C, se forma un masa fundida de minerales, (a temperatura relativamente baja de fusión) 3CaO.Al2O3.Fe2O3; así como el MgO e impurezas fusibles. Al aumentar la temperatura hasta 1450C, en el liquido del clinker se disuelven 2CsO.SiO2 y el CaO y a base de estos componentes en la masa fundida tiene lugar la formación de la alita 3CaO.SiO2, que transcurre casi hasta la total fijación del CaO (el clinker contiene no mas de 0.5-1% de CaO libre). La reducción de la temperatura de 1450 a 1300C provoca la cristalización de 3CaO.Al2O3; 4CaO.Al2O3.Fe2O3 y MgO (periclasa) que se encuentra en la masa fundida.
e) Zona de enfriamiento._ la temperatura del clinker desciende de 1300 a 1000C aquí se forma por completo su estructura y composición del clinker en la cual figura la alita C3S, la belita C2S, C3A, C4AF y MgO y otros componentes secundarios. El clinker de cemento verde oscuro o gris en forma de granos pétreos sale del horno y se enfría de 1000 a 100C y se refrigera en un segundo tambor rotatorio (14). Acto seguido se guarda durante 1-2 semanas en el almacén.
-Molienda._ La molienda del clinker se realiza en molinos tubulares (de bolsas) rotatorios (15) hasta obtener un finísimo polvo de color gris oscuro o gris verdoso. Antes de la molienda fina se le adiciona entre 2 a 3% de yeso para aumentar el poder de aglutinación, y retardar el fraguado. En esta etapa se incluyen los aditivos según el análisis requerido.
El cemento así obtenido se almacena en silos hasta su enfriamiento e hidratación de los restos de CaO libre, que transcurre bajo la acción de la humedad del aire. De los silos el cemento se envían a maquinas que la pesan y envasan en bolsas de 42.5 Kg.
Fases minerales del clinker: su composición.
Al combinarse durante el proceso de sinterización en el horno los cuatro elementos: silicio, aluminio y hierro; se producen cuatro nuevos compuestos mineralógicos principales en el clinker, que son:
- EL SILICATO TRICALCICO 3CaO.SiO2 (C3S) * ALITA
- EL SILICATO BICALCICO 2CaO.SiO2 (C2S) * BELITA
- EL ALUMINATO TRICALCICO 3CaO.Al2O3 (C3S) *
- EL FERRO-ALUMINATO TETRACALCICO 4CaO.AL2O3.FeO3 (C4AF)*
Ellos, son los que le dan las características de comportamiento, al clinker obtenido de las materias primas que se utilizan en cada fábrica de cemento. Por su importancia pasaremos a describir brevemente sus características individuales.
a) Silicato Tricalcico._ El contenido de este silicato tricalcico, puede variar entre el 40 y 50%, cuando es mas alto, se obtiene un mas rápido desarrollo de las resistencias iniciales, (a los 3 y 7dias), incrementándose el calor de hidratación, que llega a 380 J/gr. A los 28 días.
b) Silicato bicalcico._ este silicato, que con el anterior son los dos compuestos mayoritarios y principales del clinker, y que determinan las características de comportamiento de las resistencias a la compresión, se encuentra presente entre el 10 y el 30% del total de la composición. A diferencia del silicato tricalcico, su desarrollo de residencias es lento en las edades iniciales, y por lo tanto s menor su calor de hidratación, que llega hasta 105 J/gr. A los 28 días. La suma entre el silicato tricalcico y el bicalcico es de alrededor de 70 a 75% del total de la composición del clinker.
c) Aluminato tricalcico._ su contenido puede variar entre 7 y 15%. Su efecto en relación a la resistencia ala compresión, es a aumentarla ala edad inicial de 24 horas y 3 días. En ausencia de yeso, la reacción del C3A con el agua es muy violenta y conduce al endurecimiento inmediato de la pasta. Con el yeso forma un compuesto expansivo denominado Etringita, dañino para el concreto. Desarrolla una gran velocidad de hidratación y su calor de hidratación es muy elevado, llegando hasta 1380 J/gr. A los 28 días.
Procesos de fraguado y endurecimiento del cemento
Para el caso del cemento Pórtland, las reacciones entre el agua y los compuestos presentes en el cemento, originan el fraguado y endurecimiento del material. El efecto del agua es de dos tipos de HIDRATACION y de HIDRÓLISIS.
- el aluminato tricalcico reacciona con el agua formando un compuesto hidratado:
3CaO.Al2O3 + 6H2O -------> 3CaO.Al2O3.6H2O -----> cristalización
Esta reacción es probablemente, responsable de un fraguado inicial del cemento.
el silicato tricalcico reacciona con mayor lentitud sufre tanto hidratación como hidrólisis. Aproximadamente puede representarse:
2(3CaO.SiO2) +nH2O------>3CaO.2SiO2.nH2O + 3Ca(OH)2
- formación de la sal. Esta reacción puede ser responsable de la dureza que adquiere el cemento al cabo de pocos días. Dos teorías se han propuesto para explica las causas de endurecimiento. La más antigua considera que la solidificación se debe a la formación de una masa enmarañada de cristales. La otra teoría considera, que el agua reacciona en la superficie de los granos de cemento para producir un material gelatinoso o gel, actuando como un material cementante entre los granos, que la perder lentamente le agua endurecen. Por lo tanto se cree que durante el fraguado y endurecimiento del cemento Pórtland, se genera tanto una formación tanto de gel como una cristalización.
- En el proceso de retardo del fraguado, se postula la formación del sulfoaluminato tricalcico 3Ca.Al2O3 + CaSO4.xH2O------>3CaO.Al2O3.CaSO4.xH2O
Como hemos expuesto son las caracteristicas principales del cemento donde hemos tratado de dar a conocer los pricipales componentes
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