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Cemento

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Para otros usos, consulte Cemento (desambiguación). No confundir con Hormigón o mortero (mampostería).

Polvo de cemento, aquí acondicionado en bolsa, listo para ser mezclado con áridos y agua. Debe evitarse la dispersión de polvo de cemento seco en el aire para prevenir problemas de salud. Ejemplos de construcción de bloques de cemento de la Multiplex Manufacturing Company de Toledo, Ohio en 1905

Un cemento es un aglutinante, una sustancia utilizada para la construcción que fragua, endurece y se adhiere a otros materiales para unirlos. El cemento rara vez se usa solo, sino para unir arena y grava ( agregado ). El cemento mezclado con agregado fino produce mortero para mampostería, o con arena y grava, produce hormigón. El hormigón es el material más utilizado que existe y solo está detrás del agua como el recurso más consumido del planeta.

Los cementos utilizados en la construcción suelen ser inorgánicos, a menudo a base de cal o silicato de calcio, que se pueden caracterizar como no hidráulicos o hidráulicos respectivamente, dependiendo de la capacidad del cemento para fraguar en presencia de agua (ver yeso de cal hidráulico y no hidráulico ).

El cemento no hidráulico no fragua en condiciones húmedas o bajo el agua. Más bien, fragua al secarse y reacciona con el dióxido de carbono en el aire. Es resistente al ataque de productos químicos después del fraguado.

Los cementos hidráulicos (por ejemplo, cemento Portland ) fragúan y se vuelven adhesivos debido a una reacción química entre los ingredientes secos y el agua. La reacción química da como resultado hidratos minerales que no son muy solubles en agua y, por lo tanto, son bastante duraderos en agua y están a salvo del ataque químico. Esto permite fraguar en condiciones húmedas o bajo el agua y protege aún más el material endurecido del ataque químico. El proceso químico para el cemento hidráulico fue descubierto por los antiguos romanos que usaban ceniza volcánica ( puzolana ) con cal (óxido de calcio) agregado.

La palabra "cemento" se remonta al término romano antiguo opus caementicium, utilizado para describir la mampostería que se asemeja al hormigón moderno que se hizo a partir de roca triturada con cal quemada como aglutinante. Las cenizas volcánicas y los suplementos de ladrillos pulverizados que se agregaron a la cal quemada, para obtener un aglutinante hidráulico, se denominaron más tarde cemento, cimentum, cäment y cemento. En los tiempos modernos, los polímeros orgánicos se utilizan a veces como cementos en el hormigón.

La producción mundial es de aproximadamente cuatro mil millones de toneladas por año, de las cuales aproximadamente la mitad se fabrica en China. Si la industria del cemento fuera un país, sería el tercer mayor emisor de dióxido de carbono del mundo con hasta 2.800 millones de toneladas, solo superado por China y Estados Unidos. La reacción de calcinación inicial en la producción de cemento es responsable de aproximadamente el 4% del CO global 2emisiones. El proceso general es responsable de aproximadamente el 8% del CO global 2emisiones, ya que el horno de cemento en el que se produce la reacción normalmente se quema con carbón o coque de petróleo debido a la llama luminosa necesaria para calentar el horno mediante transferencia de calor radiante. Como resultado, la producción de cemento es un factor importante que contribuye al cambio climático.

Contenido
  • 1 química
    • 1.1 Cemento hidráulico
    • 1.2 Cemento no hidráulico
  • 2 Historia
    • 2.1 Alternativas al cemento utilizado en la antigüedad
    • 2.2 Griegos y romanos
    • 2.3 Edad Media
    • 2.4 siglo XVI
    • 2.5 siglo XVIII
    • 2.6 siglo XIX
    • 2.7 siglo XX
  • 3 cementos modernos
    • 3.1 cemento Portland
    • 3.2 Mezcla de cemento Portland
    • 3.3 Otros cementos
  • 4 Fraguado, endurecimiento y curado
  • 5 cuestiones de seguridad
  • 6 Industria del cemento en el mundo
    • 6.1 China
  • 7 Impactos ambientales
    • 7.1 Emisiones de CO 2
    • 7.2 Emisiones de metales pesados ​​en el aire
    • 7.3 Metales pesados ​​presentes en el clínker
    • 7.4 Uso de combustibles alternativos y materiales derivados
  • 8 Cemento ecológico
  • 9 Véase también
  • 10 referencias
  • 11 Lecturas adicionales
  • 12 Enlaces externos

Química

Los materiales de cemento se pueden clasificar en dos categorías distintas: cementos no hidráulicos y cementos hidráulicos según sus respectivos mecanismos de fraguado y endurecimiento. El fraguado y endurecimiento del cemento hidráulico implica reacciones de hidratación y, por lo tanto, requiere agua, mientras que los cementos no hidráulicos solo reaccionan con un gas y pueden fraguar directamente bajo el aire.

Cemento hidraulico

Nódulos de clínker producidos por sinterización a 1450 ° C.

Con mucho, el tipo de cemento más común es el cemento hidráulico, que se endurece mediante la hidratación de los minerales de clinker cuando se agrega agua. Los cementos hidráulicos (como el cemento Portland) están hechos de una mezcla de silicatos y óxidos, las cuatro fases minerales principales del clínker, abreviadas en la notación química del cemento, son:

C 3 S: Alita (3CaO SiO 2);
C 2 S: Belita (2CaO SiO 2);
C 3 A: aluminato tricálcico (3CaO Al 2 O 3) (históricamente, y todavía ocasionalmente, llamado celita);
C 4 AF: Brownmillerita (4CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3).

Los silicatos son responsables de las propiedades mecánicas del cemento - el aluminato tricálcico y la brownmillerita son esenciales para la formación de la fase líquida durante el proceso de sinterización ( cocción ) del clínker a alta temperatura en el horno. La química de estas reacciones no está del todo clara y sigue siendo objeto de investigación.

Primero, la piedra caliza (carbonato de calcio) se quema para eliminar su carbono, produciendo cal (óxido de calcio) en lo que se conoce como reacción de calcinación. Esta única reacción química es un importante emisor de emisiones globales de dióxido de carbono.

CaCO 3 → CaO + CO 2

La cal reacciona con el dióxido de silicio para producir silicato dicálcico y silicato tricálcico.

2CaO + SiO 2 → 2CaO SiO 2
3CaO + SiO 2 → 3CaO SiO 2

La cal también reacciona con óxido de aluminio para formar aluminato tricálcico.

3CaO + Al 2 O 3 → 3CaO Al 2 O 3

En el último paso, el óxido de calcio, el óxido de aluminio y el óxido férrico reaccionan juntos para formar cemento.

4CaO + Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 → 4CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3

Cemento no hidráulico

Óxido de calcio obtenido por descomposición térmica del carbonato de calcio a alta temperatura (superior a 825 ° C).

Una forma menos común de cemento es el cemento no hidráulico, como la cal apagada ( óxido de calcio mezclado con agua), que se endurece por carbonatación en contacto con el dióxido de carbono, que está presente en el aire (~ 412 vol. Ppm ≃ 0.04 vol.%). El primer óxido de calcio (cal) se produce a partir de carbonato de calcio ( piedra caliza o creta ) por calcinación a temperaturas superiores a 825 ° C (1,517 ° F) durante aproximadamente 10 horas a presión atmosférica :

CaCO 3 → CaO + CO 2

Luego, el óxido de calcio se gasta (apaga) mezclándolo con agua para hacer cal apagada ( hidróxido de calcio ):

CaO + H 2 O → Ca (OH) 2

Una vez que el exceso de agua se ha evaporado por completo (este proceso se denomina técnicamente fraguado), comienza la carbonatación:

Ca (OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 + H 2 O

Esta reacción es lenta, porque la presión parcial de dióxido de carbono en el aire es baja (~ 0,4 milibares). La reacción de carbonatación requiere que el cemento seco esté expuesto al aire, por lo que la cal apagada es un cemento no hidráulico y no puede usarse bajo el agua. Este proceso se llama ciclo de la cal.

Historia

Quizás la primera aparición conocida de cemento sea de hace doce millones de años. Se formó un depósito de cemento después de la ocurrencia de pizarra bituminosa ubicada adyacente a un lecho de piedra caliza quemada por causas naturales. Estos depósitos antiguos fueron investigados en las décadas de 1960 y 1970.

Alternativas al cemento utilizado en la antigüedad.

El cemento, químicamente hablando, es un producto que incluye la cal como principal ingrediente aglutinante, pero está lejos de ser el primer material utilizado para la cementación. Los babilonios y los asirios usaban betún para unir ladrillos quemados o losas de alabastro. En el Antiguo Egipto, los bloques de piedra se cementaban junto con un mortero hecho de arena y yeso toscamente quemado (CaSO 4 2H 2 O), que a menudo contenía carbonato de calcio (CaCO 3).

Griegos y romanos

La cal (óxido de calcio) se utilizó en Creta y por los antiguos griegos. Existe evidencia de que los minoicos de Creta usaban tiestos triturados como puzolana artificial para el cemento hidráulico. Nadie sabe quién descubrió por primera vez que una combinación de cal hidratada no hidráulica y una puzolana produce una mezcla hidráulica (ver también: Reacción puzolánica), pero ese hormigón fue utilizado por los antiguos macedonios y tres siglos después a gran escala por los ingenieros romanos..

Hay... una especie de polvo que por causas naturales produce resultados asombrosos. Se encuentra en las cercanías de Baiae y en el campo perteneciente a las localidades alrededor del Vesubio. Esta sustancia, cuando se mezcla con cal y escombros, no solo da fuerza a edificios de otro tipo, sino que incluso cuando se construyen muelles en el mar, se endurecen bajo el agua.

-  Marcus Vitruvius Pollio, Liber II, De Architectura, Capítulo VI "Pozzolana" Sec. 1

Los griegos usaban toba volcánica de la isla de Thera como puzolana y los romanos usaban ceniza volcánica triturada ( silicatos de aluminio activados) con cal. Esta mezcla podría asentarse bajo el agua, aumentando su resistencia a la corrosión como el óxido. El material se denominó puzolana de la ciudad de Pozzuoli, al oeste de Nápoles, de donde se extraía la ceniza volcánica. En ausencia de ceniza puzolánica, los romanos utilizaron ladrillo en polvo o cerámica como sustituto y es posible que hayan utilizado baldosas trituradas para este propósito antes de descubrir fuentes naturales cerca de Roma. La enorme cúpula del Panteón en Roma y las enormes Termas de Caracalla son ejemplos de estructuras antiguas hechas de estos hormigones, muchos de los cuales aún se mantienen en pie. El vasto sistema de acueductos romanos también hizo un uso extensivo de cemento hidráulico. El hormigón romano rara vez se usaba en el exterior de los edificios. La técnica normal era utilizar material de revestimiento de ladrillo como encofrado para un relleno de mortero mezclado con un agregado de piezas rotas de piedra, ladrillo, fragmentos de cerámica, trozos de hormigón reciclado u otros escombros de construcción.

Edad media

Se desconoce la conservación de este conocimiento en la literatura de la Edad Media, pero los albañiles medievales y algunos ingenieros militares utilizaron activamente cemento hidráulico en estructuras como canales, fortalezas, puertos e instalaciones de construcción naval. Una mezcla de mortero de cal y agregado con material de revestimiento de ladrillo o piedra se utilizó en el Imperio Romano de Oriente, así como en Occidente en el período gótico. La Renania alemana continuó utilizando mortero hidráulico a lo largo de la Edad Media, teniendo depósitos de puzolana locales llamados trass.

siglo 16

Tabby es un material de construcción hecho de cal de concha de ostra, arena y conchas de ostras enteras para formar un hormigón. Los españoles lo introdujeron en América en el siglo XVI.

siglo 18

El conocimiento técnico para la fabricación de cemento hidráulico fue formalizado por ingenieros franceses y británicos en el siglo XVIII.

John Smeaton hizo una importante contribución al desarrollo de cementos mientras planificaba la construcción del tercer faro de Eddystone (1755-1759) en el Canal de la Mancha, ahora conocido como Torre de Smeaton. Necesitaba un mortero hidráulico que fraguara y desarrollara algo de resistencia en el período de doce horas entre las sucesivas mareas altas. Realizó experimentos con combinaciones de diferentes calizas y aditivos incluyendo trass y puzolanas e hizo una investigación de mercado exhaustiva sobre las cal hidráulicas disponibles, visitando sus sitios de producción, y notó que la "hidráulica" de la cal estaba directamente relacionada con el contenido de arcilla de la caliza. solía hacerlo. Smeaton era un ingeniero civil de profesión y no llevó la idea más lejos.

En la costa del Atlántico Sur de los Estados Unidos, atigrado depender de las ostras de concha basureros de las poblaciones de nativos americanos anteriores se utilizó en la construcción de viviendas a partir de la década de 1730 a la década de 1860.

En Gran Bretaña, en particular, la piedra de construcción de buena calidad se volvió cada vez más cara durante un período de rápido crecimiento, y se convirtió en una práctica común construir edificios de prestigio a partir de los nuevos ladrillos industriales y terminarlos con un estuco para imitar la piedra. Se prefirieron las cales hidráulicas para esto, pero la necesidad de un tiempo de fraguado rápido alentó el desarrollo de nuevos cementos. El más famoso fue el " cemento romano " de Parker. Este fue desarrollado por James Parker en la década de 1780 y finalmente patentado en 1796. De hecho, no se parecía en nada al material utilizado por los romanos, sino que era un "cemento natural" hecho por la quema de septarías, nódulos que se encuentran en ciertos depósitos de arcilla. y que contienen minerales arcillosos y carbonato de calcio. Los nódulos quemados se trituraron hasta obtener un polvo fino. Este producto, convertido en mortero con arena, fragua en 5 a 15 minutos. El éxito del "cemento romano" llevó a otros fabricantes a desarrollar productos rivales quemando cementos de cal hidráulica artificial de arcilla y yeso. El cemento romano se hizo popular rápidamente, pero fue reemplazado en gran parte por cemento Portland en la década de 1850.

Siglo 19

Aparentemente inconsciente de la obra de Smeaton, el mismo principio fue identificado por el francés Louis Vicat en la primera década del siglo XIX. Vicat ideó un método para combinar tiza y arcilla en una mezcla íntima y, al quemarlo, produjo un "cemento artificial" en 1817 considerado el "principal precursor" del cemento Portland y "... Edgar Dobbs de Southwark patentó un cemento de este tipo en 1811 ".

En Rusia, Egor Cheliev creó un nuevo aglutinante mezclando cal y arcilla. Sus resultados fueron publicados en 1822 en su libro Tratado sobre el arte para preparar un buen mortero publicado en San Petersburgo. Unos años más tarde, en 1825, publicó otro libro, que describía varios métodos de fabricación de cemento y hormigón, y los beneficios del cemento en la construcción de edificios y terraplenes.

William Aspdin es considerado el inventor del cemento Portland "moderno".

El cemento Portland, el tipo de cemento más común de uso general en todo el mundo como ingrediente básico de concreto, mortero, estuco y lechada no especial, se desarrolló en Inglaterra a mediados del siglo XIX y generalmente se origina a partir de piedra caliza. James Frost produjo lo que llamó "cemento británico" de una manera similar por la misma época, pero no obtuvo una patente hasta 1822. En 1824, Joseph Aspdin patentó un material similar, al que llamó cemento Portland, porque el revoco se hizo a partir de él. tenía un color similar al de la prestigiosa piedra de Portland extraída en la isla de Portland, Dorset, Inglaterra. Sin embargo, el cemento de Aspdins no se parecía en nada al cemento Portland moderno, sino que fue un primer paso en su desarrollo, llamado cemento proto-Portland. El hijo de Joseph Aspdins, William Aspdin, había dejado la empresa de su padre y, en su fabricación de cemento, aparentemente produjo accidentalmente silicatos de calcio en la década de 1840, un paso intermedio en el desarrollo del cemento Portland. La innovación de William Aspdin fue contradictoria para los fabricantes de "cementos artificiales", porque requerían más cal en la mezcla (un problema para su padre), una temperatura de horno mucho más alta (y por lo tanto más combustible), y el clínker resultante era muy duro y rápido. desgastaron las piedras de molino, que eran la única tecnología de molienda disponible en ese momento. Por lo tanto, los costos de fabricación eran considerablemente más altos, pero el producto fraguaba razonablemente lentamente y desarrolló resistencia rápidamente, abriendo así un mercado para su uso en concreto. El uso del hormigón en la construcción creció rápidamente a partir de 1850 y pronto se convirtió en el uso dominante de los cementos. Así, el cemento Portland comenzó su papel predominante. Isaac Charles Johnson refinó aún más la producción de cemento meso-Portland (etapa intermedia de desarrollo) y afirmó que él era el verdadero padre del cemento Portland.

El tiempo de fraguado y la "resistencia inicial" son características importantes de los cementos. Las cales hidráulicas, los cementos "naturales" y los cementos "artificiales" dependen de su contenido de belita (2 CaO SiO 2, abreviado como C 2 S) para desarrollar la resistencia. Belite desarrolla fuerza lentamente. Debido a que se quemaron a temperaturas inferiores a 1250 ° C (2280 ° F), no contenían alita (3 CaO SiO 2, abreviado como C 3 S), que es responsable de la resistencia inicial en los cementos modernos. William Aspdin fabricó el primer cemento que contuvo consistentemente alita a principios de la década de 1840: esto era lo que hoy llamamos cemento Portland "moderno". Debido al aire de misterio con el que William Aspdin rodeó su producto, otros ( por ejemplo, Vicat y Johnson) han reclamado la precedencia en esta invención, pero un análisis reciente de su concreto y cemento crudo ha demostrado que el producto de William Aspdin fabricado en Northfleet, Kent era un verdadero cemento a base de alita. Sin embargo, los métodos de Aspdin eran "una regla empírica": Vicat es responsable de establecer la base química de estos cementos y Johnson estableció la importancia de sinterizar la mezcla en el horno.

En los Estados Unidos, el primer uso a gran escala de cemento fue el cemento Rosendale, un cemento natural extraído de un depósito masivo de dolomita descubierto a principios del siglo XIX cerca de Rosendale, Nueva York. El cemento Rosendale era extremadamente popular para los cimientos de edificios ( por ejemplo, la Estatua de la Libertad, el Capitolio, el Puente de Brooklyn ) y el revestimiento de tuberías de agua.

El cemento Sorel, o cemento a base de magnesia, fue patentado en 1867 por el francés Stanislas Sorel. Era más fuerte que el cemento Portland, pero su escasa resistencia al agua (lixiviación) y propiedades corrosivas ( corrosión por picaduras debido a la presencia de aniones de cloruro lixiviables y el bajo pH (8,5 a 9,5) de su agua de poro) limitaban su uso como hormigón armado para la construcción. construcción.

El siguiente desarrollo en la fabricación de cemento Portland fue la introducción del horno rotatorio. Produjo una mezcla de clínker que era más fuerte, debido al aumento de la formación de alita (C 3 S) a la temperatura más alta que alcanzó (1450 ° C), y más homogénea. Debido a que la materia prima se alimenta constantemente a un horno rotatorio, permitió un proceso de fabricación continuo para reemplazar los procesos de producción por lotes de menor capacidad.

siglo 20

La nueva planta de la Compañía Nacional de Acciones de Cemento de Etiopía en Dire Dawa.

Los cementos de aluminato de calcio fueron patentados en 1908 en Francia por Jules Bied para una mejor resistencia a los sulfatos. También en 1908, Thomas Edison experimentó con hormigón prefabricado en casas en Union, Nueva Jersey.

En los EE. UU., Después de la Primera Guerra Mundial, el largo tiempo de curado de al menos un mes para el cemento Rosendale lo hizo impopular para la construcción de carreteras y puentes, y muchos estados y empresas de construcción recurrieron al cemento Portland. Debido al cambio al cemento Portland, a fines de la década de 1920 solo había sobrevivido una de las 15 empresas cementeras de Rosendale. Pero a principios de la década de 1930, los constructores descubrieron que, si bien el cemento Portland fraguaba más rápido, no era tan duradero, especialmente para las carreteras, hasta el punto de que algunos estados dejaron de construir carreteras y caminos con cemento. Bertrain H. Wait, un ingeniero cuya empresa había ayudado a construir el acueducto Catskill de la ciudad de Nueva York, quedó impresionado con la durabilidad del cemento Rosendale y se le ocurrió una mezcla de cementos Rosendale y Portland que tenía los buenos atributos de ambos. Era muy duradero y tenía un tiempo de fraguado mucho más rápido. Wait convenció al Comisionado de Carreteras de Nueva York para que construyera una sección experimental de la carretera cerca de New Paltz, Nueva York, usando un saco de Rosendale por seis sacos de cemento Portland. Fue un éxito y, durante décadas, la mezcla de cemento Rosendale-Portland se utilizó en la construcción de carreteras y puentes.

Los materiales cementosos se han utilizado como matriz inmovilizadora de desechos nucleares durante más de medio siglo. Se han desarrollado y desplegado tecnologías de cementación de residuos a escala industrial en muchos países. Las formas de desechos de cemento requieren una selección cuidadosa y un proceso de diseño adaptado a cada tipo específico de desechos para satisfacer los estrictos criterios de aceptación de desechos para el almacenamiento y la eliminación a largo plazo.

Cementos modernos

El desarrollo hidráulico moderno comenzó con el inicio de la Revolución Industrial (alrededor de 1800), impulsado por tres necesidades principales:

  • Revestimiento de cemento hidráulico ( estuco ) para el acabado de edificios de ladrillo en climas húmedos
  • Morteros hidráulicos para la construcción de mampostería de obras portuarias, etc., en contacto con agua de mar
  • Desarrollo de hormigones fuertes
Componentes del cemento: comparación de características químicas y físicas.
Propiedad Cemento portland Cenizas volantes silíceas Cenizas volantes calcáreas Cemento de escoria Humo de sílice
Proporción en masa (%) SiO 2 21,9 52 35 35 85–97
Al 2 O 3 6,9 23 18 12 -
Fe 2 O 3 3 11 6 1 -
CaO 63 5 21 40 lt;1
MgO 2.5 - - - -
SO 3 1,7 - - - -
Superficie específica (m 2 / kg) 370 420 420 400 15.000 - 30.000
Gravedad específica 3,15 2,38 2,65 2,94 2.22
Propósito general Carpeta primaria Reemplazo de cemento Reemplazo de cemento Reemplazo de cemento Potenciador de la propiedad

Los cementos modernos son a menudo cemento Portland o mezclas de cemento Portland, pero la industria también utiliza otros cementos.

cemento Portland

Artículo principal: cemento Portland

El cemento Portland, una forma de cemento hidráulico, es con mucho el tipo de cemento más común de uso general en todo el mundo. Este cemento se fabrica calentando piedra caliza (carbonato de calcio) con otros materiales (como arcilla ) a 1.450 ° C (2.640 ° F) en un horno, en un proceso conocido como calcinación que libera una molécula de dióxido de carbono del carbonato de calcio a forman óxido de calcio, o cal viva, que luego se combina químicamente con los otros materiales en la mezcla para formar silicatos de calcio y otros compuestos cementosos. La sustancia dura resultante, llamada 'clinker', se muele luego con una pequeña cantidad de yeso en un polvo para hacer cemento Portland ordinario, el tipo de cemento más comúnmente utilizado (a menudo denominado OPC). El cemento Portland es un ingrediente básico del hormigón, el mortero y la mayoría de las lechadas no especiales. El uso más común del cemento Portland es la fabricación de hormigón. El hormigón es un material compuesto de áridos ( grava y arena ), cemento y agua. Como material de construcción, el hormigón se puede moldear en casi cualquier forma y, una vez que se endurece, puede convertirse en un elemento estructural (soporte de carga). El cemento Portland puede ser gris o blanco.

Mezcla de cemento Portland

Las mezclas de cemento Portland a menudo están disponibles como mezclas entre molidos de los productores de cemento, pero las formulaciones similares a menudo también se mezclan a partir de los componentes molidos en la planta mezcladora de concreto.

El cemento de escoria de alto horno Portland, o cemento de alto horno (nomenclatura ASTM C595 y EN 197-1 respectivamente), contiene hasta un 95% de escoria de alto horno granulada molida, con el resto clínker Portland y un poco de yeso. Todas las composiciones producen una alta resistencia final, pero a medida que aumenta el contenido de escoria, se reduce la resistencia inicial, mientras que aumenta la resistencia a los sulfatos y disminuye el desprendimiento de calor. Se utiliza como alternativa económica a los cementos Portland resistentes al sulfato y de bajo calor.

El cemento de cenizas volantes Portland contiene hasta un 40% de cenizas volantes según las normas ASTM (ASTM C595) o un 35% según las normas EN (EN 197-1). La ceniza volante es puzolánica, por lo que se mantiene la resistencia máxima. Debido a que la adición de cenizas volantes permite un contenido de agua más bajo en el concreto, también se puede mantener la resistencia inicial. Cuando se dispone de cenizas volantes baratas de buena calidad, esta puede ser una alternativa económica al cemento Portland ordinario.

El cemento de puzolana Portland incluye el cemento de cenizas volantes, ya que las cenizas volantes son puzolanas, pero también incluyen cementos hechos de otras puzolanas naturales o artificiales. En países donde se dispone de cenizas volcánicas (por ejemplo, Italia, Chile, México, Filipinas), estos cementos son a menudo la forma más común en uso. Las proporciones máximas de reemplazo se definen generalmente como para el cemento de ceniza volante Portland.

Cemento de humo de sílice Portland. La adición de humo de sílice puede producir resistencias excepcionalmente altas, y ocasionalmente se producen cementos que contienen entre el 5 y el 20% de humo de sílice, siendo el 10% la adición máxima permitida según la norma EN 197-1. Sin embargo, el humo de sílice se agrega con mayor frecuencia al cemento Portland en la hormigonera.

Los cementos de mampostería se utilizan para preparar morteros y estucos de albañilería, y no deben utilizarse en hormigón. Por lo general, son formulaciones patentadas complejas que contienen clinker Portland y una serie de otros ingredientes que pueden incluir piedra caliza, cal hidratada, incorporadores de aire, retardadores, impermeabilizantes y agentes colorantes. Están formulados para producir morteros trabajables que permiten un trabajo de albañilería rápido y consistente. Las variaciones sutiles del cemento para mampostería en América del Norte son los cementos plásticos y los cementos de estuco. Estos están diseñados para producir una unión controlada con bloques de mampostería.

Los cementos expansivos contienen, además del clinker Portland, clinkers expansivos (generalmente clinkers sulfoaluminados) y están diseñados para compensar los efectos de la contracción por secado que normalmente se encuentran en los cementos hidráulicos. Este cemento puede hacer hormigón para losas de piso (hasta 60 m cuadrados) sin juntas de contracción.

Los cementos de mezcla blanca se pueden fabricar utilizando clínker blanco (que contiene poco o nada de hierro) y materiales complementarios blancos como metacaolín de alta pureza. Los cementos coloreados tienen fines decorativos. Algunas normas permiten la adición de pigmentos para producir cemento Portland coloreado. Otras normas (por ejemplo, ASTM) no permiten pigmentos en el cemento Portland, y los cementos coloreados se venden como cementos hidráulicos mezclados.

Los cementos muy finamente molidos son cemento mezclado con arena o con escoria u otros minerales de tipo puzolana que se muelen juntos muy finamente. Dichos cementos pueden tener las mismas características físicas que el cemento normal pero con un 50% menos de cemento, particularmente debido a su mayor área de superficie para la reacción química. Incluso con una molienda intensiva, pueden usar hasta un 50% menos de energía (y por lo tanto, menos emisiones de carbono) para fabricar que los cementos Portland ordinarios.

Otros cementos

Los cementos puzolana-cal son mezclas de puzolana molida y cal. Estos son los cementos que usaban los romanos y están presentes en estructuras romanas sobrevivientes como el Panteón de Roma. Desarrollan fuerza lentamente, pero su fuerza máxima puede ser muy alta. Los productos de hidratación que producen resistencia son esencialmente los mismos que los del cemento Portland.

Cementos de escoria-cal: la escoria de alto horno granulada molida no es hidráulica por sí sola, sino que se "activa" mediante la adición de álcalis, y la forma más económica es el uso de cal. Son similares a los cementos de cal puzolana en sus propiedades. Sólo la escoria granulada (es decir, escoria vítrea, templada con agua) es eficaz como componente de cemento.

Los cementos supersulfatados contienen aproximadamente 80% de escoria de alto horno granulada molida, 15% de yeso o anhidrita y un poco de clinker Portland o cal como activador. Producen resistencia mediante la formación de etringita, con un crecimiento de resistencia similar al cemento Portland lento. Presentan una buena resistencia a los agentes agresivos, incluido el sulfato. Los cementos de aluminato de calcio son cementos hidráulicos hechos principalmente de piedra caliza y bauxita. Los ingredientes activos son aluminato monocálcico CaAl 2 O 4 (CaO Al 2 O 3 o CA en notación química de cemento, CCN) y mayenita Ca 12 Al 14 O 33 (12 CaO 7 Al 2 O 3, o C 12 A 7 en CCN). La fuerza se forma por hidratación en hidratos de aluminato de calcio. Están bien adaptados para su uso en hormigones refractarios (resistentes a altas temperaturas), por ejemplo, para revestimientos de hornos.

Los cementos de sulfoaluminato de calcio están hechos de clínker que incluyen ye'elimita (Ca 4 (AlO 2) 6 SO 4 o C 4 A 3 S en la notación química del cemento ) como fase primaria. Se utilizan en cementos expansivos, en cementos de resistencia temprana ultra alta y en cementos de "baja energía". La hidratación produce etringita y se obtienen propiedades físicas especializadas (como expansión o reacción rápida) mediante el ajuste de la disponibilidad de iones de calcio y sulfato. Su uso como alternativa de bajo consumo energético al cemento Portland ha sido pionero en China, donde se producen varios millones de toneladas al año. Los requisitos de energía son menores debido a las temperaturas más bajas del horno requeridas para la reacción y la menor cantidad de piedra caliza (que debe descarbonarse endotérmicamente) en la mezcla. Además, el menor contenido de piedra caliza y el menor consumo de combustible provocan una emisión de CO 2 de aproximadamente la mitad de la asociada con el clinker de Portland. Sin embargo, las emisiones de SO 2 suelen ser significativamente más altas.

Los cementos "naturales" correspondientes a ciertos cementos de la era anterior a Portland, se producen quemando calizas arcillosas a temperaturas moderadas. El nivel de componentes de arcilla en la piedra caliza (alrededor del 30-35%) es tal que se forman grandes cantidades de belita (el mineral de baja resistencia temprana y alta resistencia tardía en el cemento Portland) sin la formación de cantidades excesivas de cal libre. Como ocurre con cualquier material natural, estos cementos tienen propiedades muy variables.

Los cementos geopolímeros están hechos de mezclas de silicatos de metales alcalinos solubles en agua y polvos minerales de aluminosilicato como cenizas volantes y metacaolín.

Los cementos poliméricos están hechos de sustancias químicas orgánicas que polimerizan. Los productores suelen utilizar materiales termoendurecibles. Si bien a menudo son significativamente más costosos, pueden dar un material a prueba de agua que tiene una resistencia a la tracción útil.

El cemento Sorel es un cemento duro y duradero fabricado mediante la combinación de óxido de magnesio y una solución de cloruro de magnesio.

El cemento de malla de fibra o el hormigón reforzado con fibra es un cemento que se compone de materiales fibrosos como fibras sintéticas, fibras de vidrio, fibras naturales y fibras de acero. Este tipo de malla se distribuye uniformemente por todo el hormigón húmedo. El propósito de la malla de fibra es reducir la pérdida de agua del concreto y mejorar su integridad estructural. Cuando se usa en yesos, la malla de fibra aumenta la cohesión, la resistencia a la tracción, la resistencia al impacto y reduce la contracción; en última instancia, el objetivo principal de estas propiedades combinadas es reducir el agrietamiento.

Fraguado, endurecimiento y curado

El cemento comienza a fraguar cuando se mezcla con agua, lo que provoca una serie de reacciones químicas de hidratación. Los componentes se hidratan lentamente y los hidratos minerales solidifican y endurecen. El entrelazamiento de los hidratos le da al cemento su resistencia. Contrariamente a la creencia popular, el cemento hidráulico no fragua por secado; el curado adecuado requiere mantener el contenido de humedad apropiado necesario para las reacciones de hidratación durante el fraguado y los procesos de endurecimiento. Si los cementos hidráulicos se secan durante la fase de curado, el producto resultante puede estar insuficientemente hidratado y debilitado significativamente. Se recomienda una temperatura mínima de 5 ° C y no más de 30 ° C. El hormigón a una edad temprana debe protegerse contra la evaporación del agua debido a la insolación directa, la temperatura elevada, la baja humedad relativa y el viento.

La zona de transición interfacial (ITZ) es una región de la pasta de cemento alrededor de las partículas de agregado en el concreto. En la zona, se produce una transición gradual en las características microestructurales. Esta zona puede tener hasta 35 micrómetros de ancho. Otros estudios han demostrado que el ancho puede ser de hasta 50 micrómetros. El contenido promedio de la fase de clínker sin reaccionar disminuye y la porosidad disminuye hacia la superficie del agregado. Del mismo modo, el contenido de etringita aumenta en ITZ.

Problemas de seguridad

Las bolsas de cemento suelen tener impresas advertencias de salud y seguridad porque no solo el cemento es altamente alcalino, sino que el proceso de fraguado es exotérmico. Como resultado, el cemento húmedo es fuertemente cáustico (pH = 13.5) y puede causar fácilmente quemaduras graves en la piel si no se lava rápidamente con agua. De manera similar, el polvo de cemento seco en contacto con las membranas mucosas puede causar irritación ocular o respiratoria severa. Algunos oligoelementos, como el cromo, de las impurezas presentes naturalmente en las materias primas utilizadas para producir cemento pueden causar dermatitis alérgica. Los agentes reductores como el sulfato ferroso (FeSO 4) a menudo se agregan al cemento para convertir el cromato hexavalente carcinógeno (CrO 4 2−) en cromo trivalente (Cr 3+), una especie química menos tóxica. Los usuarios de cemento también deben usar guantes y ropa protectora adecuados.

Industria del cemento en el mundo

Producción mundial de cemento en 2010 Capacidad global de cemento en 2010. Ver también: Lista de países por producción de cemento e industria del cemento en los Estados Unidos

En 2010, la producción mundial de cemento hidráulico fue de 3.300 millones de toneladas (3,2 × 10 9 toneladas largas; 3,6 × 10 9 toneladas cortas). Los tres principales productores fueron China con 1.800, India con 220 y EE. UU. Con 63,5 millones de toneladas para un total de más de la mitad del total mundial de los tres estados más poblados del mundo.

Para la capacidad mundial de producción de cemento en 2010, la situación fue similar, con los tres estados principales (China, India y EE. UU.) Representando poco menos de la mitad de la capacidad total mundial.

Durante 2011 y 2012, el consumo mundial siguió aumentando, llegando a 3585 Mt en 2011 y 3736 Mt en 2012, mientras que las tasas de crecimiento anual se redujeron a 8,3% y 4,2%, respectivamente.

China, que representa una parte cada vez mayor del consumo mundial de cemento, sigue siendo el principal motor del crecimiento mundial. Para 2012, la demanda china se registró en 2160 Mt, lo que representa el 58% del consumo mundial. Las tasas de crecimiento anual, que alcanzaron el 16% en 2010, parecen haberse suavizado, disminuyendo al 5-6% durante 2011 y 2012, ya que la economía de China apunta a una tasa de crecimiento más sostenible.

Fuera de China, el consumo mundial aumentó un 4,4% a 1462 Mt en 2010, un 5% a 1535 Mt en 2011 y finalmente un 2,7% a 1576 Mt en 2012.

Irán es ahora el tercer productor de cemento más grande del mundo y ha aumentado su producción en más del 10% de 2008 a 2011. Debido a los crecientes costos de la energía en Pakistán y otros importantes países productores de cemento, Irán se encuentra en una posición única como socio comercial., utilizando su propio excedente de petróleo para alimentar plantas de clinker. Ahora, un importante productor en el Medio Oriente, Irán está aumentando aún más su posición dominante en los mercados locales y en el extranjero.

El desempeño en América del Norte y Europa durante el período 2010-2012 contrastó notablemente con el de China, ya que la crisis financiera mundial se convirtió en una crisis de deuda soberana para muchas economías de esta región y en recesión. Los niveles de consumo de cemento para esta región cayeron un 1,9% en 2010 a 445 Mt, se recuperaron un 4,9% en 2011 y luego volvieron a caer un 1,1% en 2012.

El desempeño en el resto del mundo, que incluye muchas economías emergentes en Asia, África y América Latina y que representaron cerca de 1020 Mt de demanda de cemento en 2010, fue positivo y compensó con creces las caídas en América del Norte y Europa. El crecimiento anual del consumo se registró en un 7,4% en 2010, y se moderó a un 5,1% y un 4,3% en 2011 y 2012, respectivamente.

A finales de 2012, la industria cementera mundial constaba de 5673 instalaciones de producción de cemento, tanto integradas como de molienda, de las cuales 3900 estaban ubicadas en China y 1773 en el resto del mundo.

La capacidad total de cemento en todo el mundo se registró en 5245 Mt en 2012, con 2950 Mt ubicadas en China y 2295 Mt en el resto del mundo.

porcelana

Artículo principal: Industria del cemento en China

"Durante los últimos 18 años, China ha producido consistentemente más cemento que cualquier otro país del mundo. [...] (Sin embargo,) la exportación de cemento de China alcanzó su punto máximo en 1994 con 11 millones de toneladas enviadas y ha estado en constante declive desde entonces.. Sólo se exportaron 5,18 millones de toneladas fuera de China en 2002. Ofrecido a $ 34 la tonelada, el cemento chino se está descontando del mercado, ya que Tailandia está pidiendo tan solo $ 20 por la misma calidad ".

En 2006, se estimó que China fabricó 1.235 mil millones de toneladas de cemento, lo que representó el 44% de la producción total mundial de cemento. "Se espera que la demanda de cemento en China aumente un 5,4% anual y supere los mil millones de toneladas en 2008, impulsada por un crecimiento lento pero saludable en los gastos de construcción. El cemento consumido en China representará el 44% de la demanda mundial, y China seguirá siendo el mayor consumidor nacional de cemento por un amplio margen ".

En 2010, se consumieron 3.300 millones de toneladas de cemento en todo el mundo. De esto, China representó 1.800 millones de toneladas.

Impactos ambientales

Más información: Impacto medioambiental del hormigón

La fabricación de cemento causa impactos ambientales en todas las etapas del proceso. Estos incluyen las emisiones de contaminación del aire en forma de polvo, gases, ruido y vibraciones al operar maquinaria y durante las voladuras en las canteras, y los daños al campo por las canteras. Los equipos para reducir las emisiones de polvo durante la extracción y la fabricación de cemento se utilizan ampliamente, y los equipos para atrapar y separar los gases de escape se están utilizando cada vez más. La protección del medio ambiente también incluye la reintegración de las canteras en el campo después de su cierre, devolviéndolas a la naturaleza o recultivándolas.

Emisiones de CO 2

Emisión global de carbono por tipo hasta 2018

La concentración de carbono en el cemento se extiende desde ≈5% en estructuras de cemento hasta ≈8% en el caso de carreteras de cemento. La fabricación de cemento libera CO 2 en la atmósfera tanto directamente cuando se calienta el carbonato de calcio, produciendo cal y dióxido de carbono, como indirectamente a través del uso de energía si su producción implica la emisión de CO 2. La industria del cemento produce alrededor del 10% de las emisiones globales de CO 2 de origen humano, de las cuales el 60% proviene del proceso químico y el 40% de la quema de combustible. Un estudio de Chatham House de 2018 estima que los 4 mil millones de toneladas de cemento producidas anualmente representan el 8% de las emisiones mundiales de CO 2.

Se emiten casi 900 kg de CO 2 por cada 1000 kg de cemento Portland producido. En la Unión Europea, el consumo energético específico para la producción de clínker de cemento se ha reducido en aproximadamente un 30% desde la década de 1970. Esta reducción en las necesidades de energía primaria es equivalente a aproximadamente 11 millones de toneladas de carbón por año con los correspondientes beneficios en la reducción de emisiones de CO 2. Esto representa aproximadamente el 5% del CO 2 antropogénico.

La mayoría de las emisiones de dióxido de carbono en la fabricación de cemento Portland (aproximadamente el 60%) se producen a partir de la descomposición química de la piedra caliza en cal, un ingrediente del clínker de cemento Portland. Estas emisiones pueden reducirse reduciendo el contenido de clínker del cemento. También pueden reducirse mediante métodos de fabricación alternativos, como el cemento entremezclado con arena o con escoria u otros minerales de tipo puzolana a un polvo muy fino.

Para reducir el transporte de materias primas más pesadas y minimizar los costos asociados, es más económico construir plantas de cemento más cerca de las canteras de piedra caliza que de los centros de consumo.

En ciertas aplicaciones, el mortero de cal reabsorbe parte del CO 2 que se liberó en su fabricación y tiene un requerimiento de energía menor en la producción que el cemento convencional. Tipos de cemento recién desarrollado a partir de Novacem y Eco-cemento pueden absorber el dióxido de carbono del aire ambiente durante el endurecimiento.

A partir de 2019, la captura y almacenamiento de carbono está a punto de probarse, pero su viabilidad financiera es incierta.

Emisiones de metales pesados ​​en el aire

En algunas circunstancias, dependiendo principalmente sobre el origen y la composición de las materias primas utilizadas, el proceso de calcinación a alta temperatura de la piedra caliza y arcilla minerales puede liberar en los gases de la atmósfera y el polvo rico en volátiles metales pesados, por ejemplo, talio, cadmio y mercurio son el más tóxico. Los metales pesados ​​(Tl, Cd, Hg,...) y también el selenio se encuentran a menudo como oligoelementos en sulfuros metálicos comunes ( pirita (FeS 2), mezcla de zinc (ZnS), galena (PbS),...) presentes como minerales secundarios en la mayoría de las materias primas. Existen regulaciones ambientales en muchos países para limitar estas emisiones. A partir de 2011 en los Estados Unidos, los hornos de cemento están "legalmente autorizados a bombear más toxinas al aire que los incineradores de desechos peligrosos".

Metales pesados ​​presentes en el clínker.

La presencia de metales pesados ​​en el clínker surge tanto de las materias primas naturales como del uso de subproductos reciclados o combustibles alternativos. El alto pH que prevalece en el agua intersticial del cemento (12,5 lt;pH lt;13,5) limita la movilidad de muchos metales pesados ​​al disminuir su solubilidad y aumentar su absorción en las fases minerales del cemento. El níquel, el zinc y el plomo se encuentran comúnmente en el cemento en concentraciones no despreciables. El cromo también puede surgir directamente como impureza natural de las materias primas o como contaminación secundaria de la abrasión de las aleaciones de acero al cromo duro utilizadas en los molinos de bolas cuando se muele el clínker. Como el cromato (CrO 4 2−) es tóxico y puede causar alergias cutáneas graves a concentraciones traza, a veces se reduce a Cr (III) trivalente mediante la adición de sulfato ferroso (FeSO 4).

Uso de combustibles alternativos y materiales derivados.

Una planta de cemento consume de 3 a 6 GJ de combustible por tonelada de clínker producida, según las materias primas y el proceso utilizado. En la actualidad, la mayoría de los hornos de cemento utilizan carbón y coque de petróleo como combustibles primarios y, en menor medida, gas natural y fuel oil. Los residuos y subproductos seleccionados con valor calorífico recuperable se pueden utilizar como combustibles en un horno de cemento (denominado coprocesamiento ), reemplazando una parte de los combustibles fósiles convencionales, como el carbón, si cumplen con especificaciones estrictas. Los desechos y subproductos seleccionados que contienen minerales útiles como calcio, sílice, alúmina y hierro se pueden usar como materias primas en el horno, reemplazando materias primas como arcilla, pizarra y piedra caliza. Debido a que algunos materiales tienen tanto contenido mineral útil como valor calorífico recuperable, la distinción entre combustibles alternativos y materias primas no siempre es clara. Por ejemplo, los lodos de depuradora tienen un valor calorífico bajo pero significativo, y se queman para dar cenizas que contienen minerales útiles en la matriz del clínker. Los neumáticos de desecho para automóviles y camiones son útiles en la fabricación de cemento, ya que tienen un alto poder calorífico y el hierro incrustado en los neumáticos es útil como materia prima.

El clínker se fabrica calentando las materias primas dentro del quemador principal de un horno a una temperatura de 1450 ° C. La llama alcanza temperaturas de 1800 ° C. El material permanece a 1200 ° C durante 12-15 segundos a 1800 ° C (¿y / o?) Durante 5-8 segundos (también conocido como tiempo de residencia). Estas características de un horno de clínker ofrecen numerosos beneficios y aseguran una completa destrucción de los compuestos orgánicos, una total neutralización de los gases ácidos, óxidos de azufre y cloruro de hidrógeno. Además, las trazas de metales pesados ​​están incrustadas en la estructura del clínker y no se producen subproductos, como cenizas de residuos.

La industria del cemento de la UE ya utiliza más del 40% de combustibles derivados de residuos y biomasa para suministrar energía térmica al proceso de fabricación de clínker gris. Aunque la elección de los denominados combustibles alternativos (AF) suele depender de los costes, otros factores son cada vez más importantes. El uso de combustibles alternativos aporta beneficios tanto a la sociedad como a la empresa: las emisiones de CO 2 son más bajas que con los combustibles fósiles, los residuos se pueden coprocesar de forma eficiente y sostenible y se puede reducir la demanda de determinados materiales vírgenes. Sin embargo, existen grandes diferencias en la proporción de combustibles alternativos utilizados entre los estados miembros de la Unión Europea (UE). Los beneficios sociales podrían mejorarse si más estados miembros aumentaran su participación en combustibles alternativos. El estudio Ecofys evaluó las barreras y oportunidades para una mayor adopción de combustibles alternativos en 14 estados miembros de la UE. El estudio de Ecofys encontró que los factores locales limitan el potencial del mercado en un grado mucho mayor que la viabilidad técnica y económica de la propia industria del cemento.

Cemento ecológico

El cemento ecológico es un material cementante que cumple o supera las capacidades de rendimiento funcional del cemento Portland ordinario al incorporar y optimizar materiales reciclados, reduciendo así el consumo de materias primas naturales, agua y energía, lo que da como resultado un material de construcción más sostenible. Uno es el cemento geopolimérico.

Se están investigando nuevos procesos de fabricación para la producción de cemento ecológico con el objetivo de reducir, o incluso eliminar, la producción y liberación de contaminantes dañinos y gases de efecto invernadero, en particular CO 2.

La creciente preocupación por el medio ambiente y el costo cada vez mayor de los combustibles de origen fósil han dado lugar, en muchos países, a una fuerte reducción de los recursos necesarios para producir cemento y efluentes (polvo y gases de escape).

Un equipo de la Universidad de Edimburgo ha desarrollado el proceso 'DUPE' basado en la actividad microbiana de Sporosarcina pasteurii, una bacteria que precipita el carbonato de calcio, que al mezclarse con arena y orina puede producir bloques de mortero con una resistencia a la compresión del 70% de esa. de materiales de construcción convencionales.

Aquí se puede encontrar una descripción general de los métodos respetuosos con el clima para la producción de cemento.

Ver también

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