PRESENTACION: El siguiente informe ha sido ideado con el
objetivo de adquirir un conocimiento ms completo y til acerca de la
Composicin Qumica del Cemento. Este texto est basado en los
conocimientos de autores que constituyen una gama de cientficos e
ingenieros reconocidos expertos en solucionar problemas, tratando
de aclarar y fijar las ideas bsicas sobre la Qumica del Cemento. En
el presente trabajo grupal hemos pretendido dar a conocer todo
sobre los procesos de obtencin y fabricacin de los diferentes tipos
de cementos as como su importancia en el desarrollo de la
civilizacin tratando de hacerlo lo ms didctico posible para un buen
entendimiento del tema.1. DEFINICIN: El cemento es un producto
artificial, que se obtiene de la transformacin 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 homogenizada, es llevada a altas temperaturas, a
travs de un horno ( rotativo o vertical), de donde se obtiene un
producto intermedio denominado clinker, del cual, al molerse
finamente con alrededor de 5 % en peso de yeso dihidrato, se
obtiene el cemento. El clinker de cemento puede definirse como el
producto granulado obtenido por tratamiento trmico hasta
reblandecimiento o fusin parcial y sinterizacin de mezclas
adecuadas de calizas y arcillas y, eventualmente, de arenas y
minerales de hierro. El clinker es la conversin a elevadas
temperaturas de mezclas de minerales naturales en una nueva escala
de minerales con propiedades hidrulicas obtenidas generalmente
entre 1250 y 1450 C de temperatura. El vocablo cemento, proviene
del termino OpusCaementitium que utilizaron los romanos para
identificar una mezcla, denominada Concreto Romano, que obtenan
usando agregados gruesos, cal, polvo de arcilla y pusolana, la cual
endureca aun bajo el agua. Hoy, despus de 2000 aos de se comprueba
que ya en tan remotas pocas, los romanos eran dueos de un
aglomerante hidrulico de excelente calidad, que nos ha dejado como
muestra los fabulosos monumentos arquitectnicos aun existentes.
2. CARACTERSTICAS GENERALES:
El cemento, a diferencia de otros aglomerantes, es un
aglomerante hidrulico porque posee la propiedad de endurecer en el
aire y bajo el agua, debido a las reacciones qumicas que se
producen entre el agua y los silicatos y aluminatos de calcio,
presentes en el cemento. Los elementos minerales principales que
debe contener la materia prima son: El oxido de Calcio ( CaO ), el
Bixido de Silicio ( SiO2), el Oxido de Aluminio ( Al203 ), y el
Oxido de Fiero ( Fe 2003 ), los cuales tienen que estar
relacionados entre si en proporciones pre establecidas, con el
objeto de dar determinadas caractersticas al clinker que de ellos
se obtiene. Estos elementos pueden provenir de diferentes
minerales, como por ejemplo: la Caliza aporta el CaO, la Arcilla
aporta SiO2 y el Al203, la pirita o hematita aporta el Fe203, etc;
teniendo que proceder a mezclarlos previamente, o de una caliza que
contenga todos los elementos en las debidas proporciones, como es
el caso muy especial de la materia prima de la fabrica de Cementos
Lima S. A. Ubicada en Atocongo. Como se ha indicado anteriormente,
la materia prima pasa por el horno en donde, al elevarse su
temperatura a 1450 C, se recombinan los cuatros elementos antes
indicados: Oxido de Calcio, Bixido de Silicio, Oxido de Aluminio y
Oxido de Fierro, producindose el Clinker. Si el clinker fuera
molido finamente para ser utilizado como cemento, en el momento de
su mezcla con el agua fraguara casi de inmediato, no permitiendo de
sta manera, tanto su manipuleo como su instalacin, Por sta razn, en
el momento de la molienda del Clinker, se le adiciona a ste, yeso
dihidrato, con el objeto de retardar el tiempo de fraguado. El
cemento al mezclarlo con el agua presenta un tiempo de fraguado
inicial y un tiempo de fraguado final, acompaado de generacin de
calor, denominado calor de hidratacin y un aumento de volumen. El
cemento se hidrata rpidamente cuando se encuentra en contacto con
el medio ambiente, por lo que es preciso, tratar de protegerlo de
la humedad o usarlo lo mas rpidamente posible. El cemento presenta
un grado de finura tal, que mientras ms fino sean sus granos, ms
rpidamente se obtienen elevadas resistencias mecnicas, pero existe
el peligro permanente de producirse contracciones por secado. 3.
FABRICACIN DEL CEMENTO PRTLAND La fabricacin de cemento Prtland,
comprende las siguientes etapas:
3.1. EXTRACCIN DE LA CALIZA EN LA CANTERA:
3.1.1. Perforacin y Voladura La primera operacin es la
perforacin de los taladros en los bancos de trabajo de hasta 15
metros de profundidad. Luego se cargan con explosivos, con el
denominado Anfo, y se procede a la voladura secuencial para lograr
una mayor eficiencia. En la cantera de Atocongo de Cementos Lima S.
A. Se extraen diariamente 12 000 toneladas de roca, de las cuales 8
000 son de caliza apta para el proceso y 4 000 de material estril
que cubre parte del yacimiento.
3.1.2. Carguo y Acarreo.-
Despus de realizada la voladura, siguen las operaciones de
carguo y acarreo utilizando cargadores frontales de 7,6 m3 y
camiones de 50 toneladas. Tractores de oruga del Tipo D10N
complementan stas labores.3.2. REDUCCIN DEL TAMAO DE LA CALIZA Y SU
HOMOGENEIZACION:
Para obtener el clinker, que es el material intermedio entre la
caliza y el cemento, es preciso reducir el tamao de la caliza,
extrada de la cantera, hasta polvo fino denominado crudo,
uniformizar su calidad y pasarlo a travs del horno. Para lograrlo
esto, la caliza pasa sucesivamente por la chancadora Primaria,
Chancadora Secundaria y zarandas, Pre - homogeneizacin, molidos de
crudos y silo de homogeneizacin.
3.2.1. CHANCADORA PRIMARIA:
La caliza extrada de la cantera es llevada a la chancadora
primaria, que es del tipo denominado cono, que la tritura por
presin reduciendo su tamao de 1.5 metros hasta un mnimo de 40 Cm,
depositndola en una cancha de Almacenamiento que tiene capacidad de
200 000 toneladas. Su capacidad de produccin es de 1 500 toneladas
por hora.
3.2.2. CHANCADORA SECUNDARIA Y ZARANDAS:De la cancha de la
chancadora primaria, la caliza se transporta a la chancadora
secundaria, dosificada segn ley, en donde se reduce su tamao de 40
Cm. A un mnimo de 18 mm. La capacidad de sta unidad es de 600
toneladas por hora. Las zarandas que existen en ste circuito, se
encargan de separar la caliza menor de 18 mm. Para enviarla a la
cancha de Pre - homogeneizacin y los tamaos ms gruesos regresan a
la chancadora para terminar su proceso. 3.2.3.
PREHOMOGENEIZACION
La cancha de pre - homogeneizacin es del tipo circular de 108 m.
De dimetro y tiene una capacidad de 110 00 toneladas. Su
funcionamiento es automtico. La caliza se deposita en capas
sucesivas horizontales por medio de una faja telescpica apiladora
que recorre un ngulo prefijado. Una vez conseguida la altura
necesaria de una ruma de se pasa a preparar otra. Mientras tanto la
ruma anterior es recuperada en forma perpendicular a su
apilamiento, originndose un efecto de mezcla uniforme. De all la
caliza se traslada, mediante fajas, a los silos de alimentacin del
Molino de Crudo.
3.2.4. MOLIENDA Y HOMOGENEIZACION
En el Molino de Crudo se realiza la ltima reduccin de tamao de
la caliza, 18 mm. A un estado polvoriento. El Molino de Crudo es un
tubo de 4.4m. de dimetro por 15.75m. de largo, gira a razn de 15
rpm. Y en su interior se encuentra 300 toneladas de bolsas de acero
de diferentes tamaos. La caliza se pulveriza por el impacto de
estas bolas. La capacidad de produccin de este molino es de 350 a
400 toneladas por hora. El polvo producido se denomina crudo y es
conducido por medio de fajas transportadoras al silo de
homogeneizacin, donde se afina su calidad con el objeto de que al
alimentarse al horno sea lo mas uniforme posible. 3.3. OBTENCIN DEL
CLINKER
3.3.1. PRE CALENTADOR Consta de cuatro etapas de ciclones que se
encuentran ubicad os uno encima del otro, en un edificio de 70 m de
alto. El crudo homogeneizado se alimenta por el extremo superior de
este pre calentador, pasando a travs de los ciclones en donde se
calienta por accin de los gases generados en el quemador del
horno.
3.3.2. HORNO
El crudo se comienza a descarbonatar en el precalentador e
ingresa al horno en donde por efecto del calor generado por accin
del petrleo N 6 o del carbn, en un quemador situado en el extremo
de la salida, sufre transformaciones fsicas y qumicas, llegando a
clinkerizarse a temperaturas del orden de los 1 400 a 1 500 C,
obtenindose el producto intermedio denominado 2clinker. El material
avanza por el interior del horno, que es un tubo de 5.2m. de
dimetro por 85 m. De largo y que gira hasta 3 rpm.; tiene una
capacidad de produccin de 5 000 toneladas por da.
3.3.3. ENFRIADOR
El clinker descargado por el horno, pasa a la tercera parte del
circuito de clinkerizacion, que es el enfriador. Este consta de
varias superficies escalonadas compuestas por palcas fijas y mviles
alternadas, con unos pequeos orificios por donde pasa el aire que
es insuflado por la parte inferior, por la accin de 9 ventiladores
con le objeto de enfriar el clinker hasta alrededor de los 100 C.
En la parte final de esta unidad se encuentra una trituradora de
rodillos, accionada por motores hidrulicos.3.4. MOLIENDA DEL
CEMENTO
El clinker , se transporta a una Cancha de Almacenamiento en
donde termina su proceso de enfriamiento para ser posteriormente
alimentado a los molinos de Cemento, conjuntamente con el yeso
dihidrato. En esta etapa se obtiene finalmente el Cemento, mediante
2 molinos de bolas de 4,4 m., de dimetro por 14,4 m., de largo en
cuyo interior, revestido de blindajes de acero, se encuentran 300
toneladas de bolas de acero de diferentes tamaos. La capacidad de
cada una de estas unidades es de alrededor de 120 toneladas por
hora. Los molinos, para mejorar la uniformidad del cemento,
trabajan en circuitos cerrados con barrido de aire y estn provistos
de dos separadores centrifugados cada uno, que permiten clasificar
las partculas, que salen del molino en dos grupos: a. Las que por
su menor tamao son arrastradas por la corriente de aire y que
constituyen el producto final, y b. Las ms gruesas que caen por
gravedad y son regresadas al molino para terminar su proceso de
molienda. -Los separadores estn provistos de un sistema de
regulacin que permite ajustar los parmetros que se deseen. -De esta
manera, se puede ofrecer un cemento con una calidad uniforme y
controlada. Finalmente, el cemento es trasladado a los silos del
envase, por medio de una faja transportadora y/o un sistema de
bomba neumtica.
3.5. ENVASE Y DESPACHO DEL CEMENTOEl cemento extrado de los
silos, se despacha tanto en bolas de papel como a granel. Para el
despacho en bolsas se utilizan maquinas rotativas automtica que
tienen una capacidad de envasado de 1 800 bolsas por hora. El
operador, solo se limita a colocar las bolsas en los pitones de una
tolva rotativa, que gira continuamente, y que las llena con el peso
de 42,5 Kg, descargndolas sobre una faja transportadora. Las bolsas
se transportan a las plataformas de los camiones por un sistema de
fajas. Los cargadores se limitan a cogerlas y acomodarlas. Adems,
las bolsas pueden ser colocadas sobre parihuelas, que son
preparadas durante la noche, para acelerar la entrega en las horas
de la maana y mejorar la atencin a los clientes. En el despacho a
granel se utilizan camiones especiales de 30 toneladas o ms, que se
cargan en 10 minutos. Dos balanzas de plataformas para camiones,
con controles electrnicos, controlan el peso de cada camin que se
despacha. El control de calidad, se encuentra presente en todas las
etapas del proceso. La fabrica de Cementos Lima S. A. Para realizar
dicho control de calidad, cuentan con modernos equipos, como es el
caso del Medidor de Fluore4cencia de Rayos X del tipo multicanal
asociado a una computadora, que permite un preciso y rpido anlisis
de las muestras que son tomadas en los diferentes puntos del
proceso, desde la cantera hasta el envase. En los laboratorios de
Ensayo fsicos y qumicos, se realizan las diferentes pruebas
dispuestas por las Normas Nacionales ITINTEC o Internacionales A.
S. T. M. Que rigen por la Industria del Cemento. 4. COMPOSICIN
QUMICA DEL CLINKER Y CEMENTO PRTLANDLas materias primas que se usan
para la fabricacin del clinker, aportan con 4 xidos fundamentales:
SiO2, Al2O3, Fe2O3 y CaO, mientras que el MgO, Na2O, y K2O, pueden
considerarse como accidentales debido a su pequeo porcentaje. Por
consiguiente, la composicin qumica del clinker se presenta por
medio del sistema cuaternario: CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 Estos xidos
vamos a describirlos brevemente de la siguiente manera:
4.1. OXIDO DE CALCIO: Se ha descrito al estudiar la cal.
4.2. BIXIDO DE SILICIO : Se encuentra en abundancia en la
naturaleza, formando parte de los silicatos, en las variedades
cristalizadas cuarzo , tridimita r, cristobalita y en forma vitrea
en la silicie fundida. La slice pura o cuarzo , establece a la
temperatura ordinaria, se transforma a 573 C en cuarzo ,
cristalizando en prismas hexagonales ( densidad: 2,65 y
dureza:2,7); a 870 C se obtiene la tridimita , de las que existen
la variedad , y r ( densidad: 2,28 ) y a 1 470 C se forma la
cristobalita ( densidad:2,33), se funde a 1 710 C ( densidad: 2,20
) , ocupando este cuarzo vitreo un volumen mayor que el cuarzo .
Para que el cuarzo se transforme en tridimita y cristobalita hay
que calentar muy despacio, pues ordinariamente a los 1 600 C. Forma
una masa vitrea pastosa que no cristaliza al enfriarse. Aunque la
Slice sea qumicamente inerte a la temperatura ordinaria, reacciona
enrgicamente con las bases, a temperaturas elevadas, formando los
silicatos. El bixido de silicio, a pesar de no unirse directamente
con el agua se le considera como anhdrido, formando gases del cido
silcicoque, aunque no se hayan aislado, se les puede considerar
como hidratos SiO2 , H2O SiO3H2 ( cido metasilcico ), y el SiO2,
2H2O SiO4H4 ( cido ortosilcico ), aun con mas molculas de agua y
bixido de silicio se forman compuestos muy complejos.
4.3. OXIDO DE ALUMINIO: Llamado tambin alumina, se encuentra en
la naturaleza en forma de corindon incoloro, se funde a 2 505 C,
cristalizando en numerosas formas por enfriamiento. Tiene una
densidad de 4 y un a dureza de 9 en la escala de Mohs. La alumina
se halla combinada en la arcilla ( 2SiO2Al2O3. 2H2O ) y la
eliminacin de la slice da origen a la formacin de dos xidos
hidratados, el disporo ( Al2O3. H2O ), y la hidrargirita gibsita (
Al2O3. 3H2O ), siendo la bauxita una mezcla de ambas en diferente
proporcin. La alumina obtenida por precipitacin forma con el agua,
un gel cristalizando con el tiempo en forma de hidrargirita. La
alumina no se forma al fraguar el cemento Prtland, pero s en el del
cemento Aluminoso.
4.4. OXIDO FERRICO: Es muy abundante en la naturaleza,
constituyendo el mineral de hierro llamado oligisto y hematites
roja. En el cemento Prtland se encuentra en dosis pequeas, pues
provienen de las impurezas de las arcillas, pero en los cementos
aluminosos alcanzan proporciones importantes procediendo de la
bauxita. Este oxido da el color al cemento. Se parece a la alumina,
cambindose principalmente con la cal. Existen dos xidos frricos
hidratados amorfos, uno de color amarillo y el otro rojizo de
formula: Fe(OH)3 , H2O. Estos xidos de calcio, silicio, aluminio y
hierro se combinan, formando un compuesto de tres o ms elementos;
pero para facilitar su estudio se les considera formados por dos, y
como casi todos se hallan combinados con el oxigeno, consideraremos
a los compuestos mas complicados como formados por la agrupacin de
los xidos, como se hace en mineraloga al estudiar los silicatos, y
en otros casos, como sales del hipottico cido silico o alumino
silicico. As, el ortosilicato calcio se le puede considerar formado
por la combinacin de los dos xidos: 2CaO, SiO2, o bien SiO4Ca2,
como si fuera la sal calcica del cido ortosilicico SiO4H4, que
representa bien su composicin, pero no su estructura, pues se ha
comprobado, al estudiar con rayos x, que la estructura de las
molculas de los silicatos estn formados por complejos de
silicio-oxigeno, en los que el silicio forma cadenas con dos tomos
de oxigeno. Por otro lado, las combinaciones del silicio-oxigeno
solo existen en un estado slido y no dan iones libres, por lo que a
los compuestos de los silicatos no se los puede considerar
ionizados en el agua.
4.5. SILICATOS DE CALCIO: El oxido de calcio y el bixido de
silicio reaccionan a elevada temperatura, formando los siguientes
compuestos: Silicato monoclcico: ( SiO2 CaO ) o metasilicato,
existen dos variedades, la y la , que forman el mineral llamado
Wollostonita, siendo estable hasta 1 150 C, transformndose en la
variedad , que se funde a 1 512 C. Cristaliza en el sistema
monoclnico, es inerte hidrulicamente, el agua no le ataca mas que
al cabo de varios aos. No se halla en el clinker del cemento
Prtland. Silicato sesquiclcico: ( SiO2 3CaO ) Se disocia a 1 745 C
en silicato biclcico y liquido, no encontrndose en el clinker de
cemento Prtland, pulverizndose en parte cuando se enfra lentamente.
Silicato Biclcico: ( SiO2 2CaO ) u ortosilicato, hay tresformas
alotropicas: la , estable por encima de 1 410 C, se funde a 2 130 C
y por enfriamiento se transforma en la forma , a 1 420 C; y la
forma r va acompaada de un aumento de volumen del 10%, reducindose
a polvo espontneamente al enfriarse a la temperatura ordinaria,
aprecindose en las escorias de altos hornos y en los cementos de
Prtland ricos en este compuesto. Silicato Triclcico: ( SiO2 3CaO )
Es el principal constituyente del cemento Prtland. Se obtiene por
sinterizacin calentado una mezcla de carbonato clcico y slice a 1
400 C. Tiene un peso especifico de 3,15, atribuyndole las
resistencias iniciales del cemento Prtland. Silicato Pentaclcico: (
SiO2 5CaO ) Se pulveriza espontneamente por enfriamiento lento como
el silicato biclcico y las escorias. Si se enfra bruscamente y se
mule es hidrulico, formndose hidrato de calcio y una masa
gelatinosa o coloidal que da origen a los esferalitos, que se
aprecian claramente con el microscopio electrnico.
4.6. ALUMINATOS DE CALCIO: Se forman cuatro compuestos bien
definido, los cuales son los siguientes: -Aluminato monoclcico (
Al2O3 CaO ) Se obtiene calentado alumina y carbonato clcico por
encima de 950 C, se funde a 1 600 C y se cristaliza en el sistema
monoclnico. Tiene una densidad de 2,98, tiene propiedades
hidrulicas, siendo el principal constituyndose de los cementos
aluminosos.
-Aluminato triclcico: ( Al2O3 3CaO ) Se funde a 1 535 C,
presentado propiedades hidrulicas menores que el anterior,
hallndose en el cemento Prtland; se cristaliza en el sistema
cubico. En estado puro se hidrata y fragua rpidamente y contribuye
al falso fraguado de los cementos. -Trialuminato Pentaclcico: (
3Al2O3 5CaO ) Existen en dos formas alotropicas. Se funde a 1 455
C, encontrndose a veces en los cementos Prtland y aluminosos;
presenta fraguado rpido y menores resistencias que el aluminato
monoclcico.
-Pentaluminato Triclcico: ( 5Al2O3 3CaO ) Se funde a 1 720 C,
hallndose a veces en el cemento aluminosos. 4.7.
FERRITOS CALCICOS: El oxido de calcio y el oxido de hierro
reaccionana a gran temperatura para dar el ferrito monoclcico:
Fe2O3 CaO y el ferrito biclcico: Fe2O3 2CaO. Se funde a 1 216 C, no
teniendo propiedades hidrulicas, hallndose en los cementos
aluminosos y metalrgicos.
4.8. DISEO DE MEZCLA CRUDA PARA LA FABRICACIN DEL CEMENTO:
Definicin de criterios para los clculos de mezcla: Cualquier tipo
de cemento tiene que estar en conformidad con las normas de calidad
individuales de cada cemento de un pas determinado. Las normas (
especificaciones estndar ), incluyen normalmente la
especificaciones qumicas para el cemento. Conjuntamente con los
requerimientos fsicos y los requerimientos en cuanto a resistencias
garantizan su potencial de calidad conveniente para el tipo
correspondiente de cemento. En cuanto a las materias primas, solo
son importantes los requerimientos qumicos: -Especificaciones
qumicas del producto.-Calidad del clinker y cemento.-Composicin de
la mezcla cruda.-Componentes de la materia prima.Es decir, las
especificaciones del producto determinan la calidad del clinker y
del cemento, la misma, que a su vez determinan la composicin qumica
del crudo y, finalmente la seleccin de los componentes de la
materia prima. La secuencia puede ser invertida. Una configuracin
de materia prima, con escasa libertad en cuanto a la dosificacin de
la mezcla cruda, puede darle al producto la posibilidad de producir
solamente un nico tipo de clinker. La dosificacin de las mezclas
crudas para la fabricacin para la fabricacin de un cemento
ordinario se basa en la mayora de los casos, en los siguientes
criterios especficos:
4.8.1. El contenido de MgO: 5% (mximo). 4.8.2. Estndar de cal o
factores de saturacin de cal: SC El valor limite aproximado es: 100
CaOSC =---------------------------------------------------- = 88 -
972.8 SiO2 + 1.18 Al2O3 + 0.65 Fe2O3El estndar de cal mide el grado
de formacin de los compuestos clcicos. Su variacin normal, oscila
entre 88 97, siendo el limite superior el valor que da lugar a una
mayor cantidad de silicato triclcico ( C3S ), en comparacin con
anlogos contenidos en Al2O3 y Fe2 O3 y es, por tanto el mas
favorable para las resistencias.
4.8.3. Modulo Hidrulico. MH El valor limite aproximado es: % Ca
O MH =----------------------------------------------- = 1.8 2.2 %
SiO2 + % Fe2O3 + % Al2O3 El valor ptimo del modulo Hidrulico, para
obtener altas resistencias, es el comprendido entre 1.8 y 2.2.
Cuando este valor es inferior a 1.8, el aglomerante tiene
resistencias muy bajas y cuando el valor es superior a 2.2, el
aglomerante, una vez puesto en obra, sufre al cabo de pocos das o
semanas un fenmeno de agrietamiento por expansin, formando grietas
centrfugas.
4.8.4. Modulo de Silicatos: MS El valor limite aproximado
es:
% SiO2 MH =------------------------------------------= 1.8 3.5 %
Al2O3 + % Fe2O3
Cuanto mas elevado sea el modulo de silicatos, dentro de su
variacin normal de 1.8 a 3.5, mayor contenido total de silicatos
triclcico ( C3S ) y silicato biclcico ( C2S ) se tendr en el
clinker o cemento, as como un mayor potencial de resistencia a
cualquier plazo.
4.8.5. Modulo de Fundentes: (MF) El valor limite aproximado
es:
% Al2O2
MH =------------------------------ = 1.5 2.5 % Fe2O3 El modulo
de fundentes, es un valor que no afecta a las resistencias a largo
plazo, sino tan solo a las resistencias iniciales cuando es
elevado. Influye sobre la mayor o menor facilidad de clinkerizacion
por su accin sobre la viscosidad de la fase liquida a lata
temperatura. Al disminuir su valor, como se consigue normalmente
por una adicin al crudo de 1% a 2% de Fe2O3, disminuye la
temperatura de combinabilidad del clinker; en igualdad de
composicin deja ms CaO disponible aumentando el contenido de
silicatos y disminuyendo el contenido de aluminato triclcico ( C3A
). Este es la base para la elaboracin de cementos especiales
resistentes a la accin agresiva de los sulfatos, limitando el
contenido de C3A, entre 3% y 5%. Cuando el M.F., es iguala 0.64,
todo el oxido de aluminio forma el ferroaluminato tetraclcico (
C4AF ), en cuyo caso no cristaliza prcticamente el C3A. Este tipo
de clinker, constituye el fundamento de los cementos resistentes a
los sulfatos.
4.9. SECUENCIA BASICA DE LAS REACCIONES El siguiente cuadro
muestra la secuencia general de los eventos que ocurren dentro del
horno de calentamiento y enfriamiento en la formacin del
clinker.
Crudo Reactantes + Alita + Belita ( 20 C ) Productos Caldo (
1450 C ) + ClinkerEnfriadointermedios ( 450 1300 C )
La secuencia principal de los eventos ocurrentes y rango de
temperatura en el cual tiene lugar, est representada con ms detalle
en el siguiente cuadro:
RANGO DE TEMPERATURA(C)TIPODEREACCIN
CALENTAMIENTO
20 - 100Evaporacin del agua libre
100 -300Perdida de agua absorbida
400Perdida de agua de cristalizacin de la arcilla y
desdoblamiento en xidos libres
500Cambios de estructuras en los minerales de slice
800 - 900Descarbonatacion de la caliza
900Formacion de CS, productos intermedios, aluminatosy
ferroaluminatos
1250Formacion de CS
1280Formacion de la fase liquida ( caldo de aluminato
yferrita)
1450Recristalizacion de CS Cs
EMFRIAMIENTO
1300 -1240Recristalizacion de la fase liquida el aluminato y
ferrita principalmente.
4.10. COMPOSICIN QUMICA DEL CEMENTO PRTLAND
COMPONENTESPRINCIPALESCOMPONENTESSECUNDARIOSOTROS
COMPONENTESPOSIBLES
COMgOMnO
SiOSOPO
AlOKO Y NaO (alcalis)TiO
FeOC.L. (CaO libre)Fluoruros
R.I. (resid. Insoluble)
P.F. (perdida al fueo )
HO, CO,(Mat.organica)
Los componentes tpicos en que interviene los xidos antes
indicados, en la composicin centesimal de un cemento Prtland,
son:
COMPONENTEPORCENTAJE(%)ABREBIATURA
CaO61 - 67C
SiO20 - 27S
AlO24 - 27A
FeO0.5 - 4F
MgO0.1 - 5M
SO21 - 23S
KO Y NAO0.25 - 1.5ALCALIS
4.10.1. Propiedades de los componentes minoritarios del cemento
Prtland. El contenido de MgO: Cuando es superior al 5% en el
clinker, el cemento puede ser ya expansivo. Se debe este fenmeno a
que el MgO en pequea proporcin dentro del sistema SiO2 CaO Al2O3 no
reacciona durante la clinkerizacion, quedndose como tal MgO. Este
oxido magnsico reacciona con el agua con un importante retraso,
incluso de meses, con respecto al fraguado y endurecimiento. Como
que esta reaccin es semejante a la de la hidrlisis del CaO, es
decir, es exotrmica, da lugar a un importante aumento de volumen y
generacin de calor produciendo la expansin o rotura del aglomerante
fraguado.
El contenido de Na2O y K2O:El oxido de sodio ( Na2O )y el oxido
de potasio ( K2O ) se le conoce con el nombre de lcalis ( aunque en
el cemento existen tambin otros lcalis ). Se ha encontrado que
estos compuestos reaccionan con algunos agregados con afinidad
qumica. Las formas reactivas de slice son el palo ( amorfo ), la
calcedonia (criptocristalina fibrosa) y la tridimita ( cristalina
). Estos materiales reactivos se encuentran en las calcedonias y
calcedonias opalinas, las calizas silicosas, las riolitas y tobas
rioliticas, las dacitas y tobas dacticas, las andesitas y tobas
andesiticas y las filitas. Como la cantidad de lcalis depende tan
solo del cemento, su concentracin en la superficie reactiva del
agregado depender de la magnitud de estas superficie. El contenido
mnimo de lcalis del cemento con el cual puede haber una reaccin
expansiva es de 0.6% expresado en oxido de sodio. Este porcentaje
se calcula mediante estequiometra como el contenido real de Na2O ms
0.658 por el contenido de K2O del clinker. Sin embargo, en casos
excepcionales se han observado cementos con menor contenido de
lcalis que causan expansin de un concreto elaborado con un agregado
reactivo dado es mayor al elevarse el contenido alcalino del
cemento y, para una misma composicin de cemento, al elevarse su
finura. Esta reaccin lcali-agregado puede producir expansin anormal
y agrietamientos irregulares en el concreto. Existen tres pruebas
de la A. S. T. M. Para identificar los agregados con los lcalis,
dos para los del tipo silicoso ( 227 C 289 ) y una para los del
tipo carbonatado ( C 586 ). Adems existe la prueba de la A. S. T.
M.C 295,que recomienda el examen petrogrfico de los agregados de
ambos tipos. El contenido en SO3: El contenido en anhdrido
sulfurico decide la calidad del cemento Prtland por varios motivos:
cuando su valor en porcentaje esta fuera de un estrecho margen (
entre 2 y 4 % ) afecta el tiempo de fraguado. Cuando es menor, el
fraguado puede ser muy rpido, como consecuencia del escaso afecto
retardador. Cuando su valor es de 6 a 10% inhibe el fraguado, no
existiendo ni afecto expansivo se produce cuando el contenido en
SO3 excede del 4 al 4.5%, segn la finura del cemento.
El contenido de Cal Libre ( C. L. ): Debe ser inferior al 2%,
dada la expansin de volumen que produce su hidrlisis, que
provocaria un efecto destructivo. A partir de valores superiores al
2.5% pueden obtenerse ensayos en el autoclave con una expansin
superior al 1%.
El efecto insoluble ( R. I. )El residuo insoluble es la cantidad
de material que no se disuelve en cido clorhdrico ( HCl ) al 10%.
Incluso lo es el yeso, por lo que un cemento, sin adiciones de
otros materiales distintos a la caliza, como son las rocas bsicas,
puzolanas, cuarzos, feldespatos, etc., da un valor de R. I. De
alrededor de un 0.5%. Al aumentar el R. I. Disminuyen las
resistencias, a no ser que esta disminucin sea simultneamente
contrarrestada por la mejora de otras variables, por ejemplo,
aumentndola finura del cemento. Los tipos de cementos especiales
como puzolnicos o cenizas volantes, poseen elevados residuos
insolubles. La prdida al fuego ( P. F. ): Esta determinacin
analtica se verifica normalmente a la temperatura de 950 C +/- 10 C
y es a esta temperatura en la que se ha conseguido la
descarbonatacion del carbonato clcico ( CO3Ca ), que eventualmente
puede estar presente en el cemento y, por consiguiente, mide la
cantidad de anhdrido carbonico ( CO2 ) de los carbonatos presentes
o la absorbida por meteorizacion, as como la cantidad de agua de
hidratacin incorporada al aglomerante por la misma causa. El valor
de la prdida al fuego nos da la idea del estado de meteorizacin de
un cemento, el agua giroscpica presente en la atmsfera, adicionada
al cemento puede llegar a hidrolizar previamente los silicatos y
por tanto, es tan necesario comprobar este valor en los cementos
almacenados antes de su puesta en obra. El contenido de oxido de
manganeso ( Mn3O3 ) y El oxido de titanio (TiO2): El primero no
tiene aignificacion especial en las propiedades del cemento, salvo
en su coloracin, que tiende a ser marron si se tienen contenidos
mayores del 3%. Se ha observado que en casos donde los contenidos
superan el 5% se obtiene disminucin de resistencia a largo plazo.
El oxido de titanio influye en la resistencia, reducindola para los
contenidos superiores al 5%. Para contenidos menores no tiene mayor
trascendencia. El contenido de P2O5: Influye como perturbador en la
cristalizacion de las fases en cantidad que superan el 0.5%.
4.10.2.COMPOSICIN MINEROLOGICA DEL CLINKER DEL CEMENTO PORTLAND:
El anlisis qumico del cemento, en terminos de porcentaje de xidos,
tiene poco significado en lo que respecta a las propiedades del
mismo, ya que son los compuestos formados durante el proceso de
fabricacin por interaccion de los cuatro xidos fundamentales
mencionados anteriormente, los cuales son los responsables del
fraguado y resistencia del cemento hidratado. De los cuatro xidos
fundamentales: CaO, SiO2, Al2O3 y Fe2O3, uno solo tiene carcter
bsico: el oxido de calcio ( CaO ). Los otros tres se comportan como
anhdridos, es decir, con carcter cido. Debido a ello, es fcil
comprender que en el proceso de formacin del clinker, las materias
primas que contengan los cuatro xidos fundamentales, formaran
compuestos de cal, tales compuestos sern: silicato de calcio,
aluminatos de Calcio y Ferro-Aluminatos de calcio. El oxido de
calcio, por consiguiente, satura hasta un cierto limite los
componentes cidos y para que dicha saturacin tenga lugar, las
cantidades de los cuatro componentes principales han de cumplir una
serie de reacciones denominadas mdulos, que ya se estudio
anteriormente .Es decir, la mezcla de caliza, arcilla y otros
componentes han de tener una proporcin conveniente de estos.
Durante el proceso de coccin y a distintas temperaturas se forman
unos determinados compuestos mineralgicos, unos primeros, otros
despus, dentro de un amplio rango de temperaturas: entre 1000 y
1450 C, aproximadamente. Se puede considerar que el cemento se
encuentra en un EQUILIBRIO CONGELADO, asumiendo que los productos
enfriados producen el equilibrio existente a la temperatura de
clinkerizacion.
NOMBREFORMULAQUIMICANOMENCLATURA EN EL CLINKER
COMUNCOMERCIAL
Silicato Tricalcico3CaO.SiOCSAlita
Silicato bicalcico2CaO.SiOCSBelita
Aluminato Tricalcido3CaO.AlOCACelita
Ferro-aluminato tetracalcico4CaO.AlOFeOCAFFelita
