EL CEMENTO

1. DEFINICIÓN:El cemento es   un conglomerante formado   a   partir   de   una   mezcla de caliza y arcilla calcinadas   y   posteriormente   molidas,   que   tiene   la   propiedad   de endurecerse al contacto con el agua. Mezclado con agregados pétreos (grava y arena) y agua,   crea   una   mezcla   uniforme,   maleable   y   plástica   que   fragua   y   se   endurece, adquiriendo consistencia pétrea, denominada hormigón (en España, parte de Suramérica y  el  Caribe  hispano)  o concreto (en  México  y  parte  de  Suramérica).   Su  uso  está  muy generalizado en construcción e ingeniería civil.

2. TIPOS DE CEMENTOSe pueden establecer dos tipos básicos de cementos:

a) base  de   arcilla:  Obtenidos  a  partir  de   arcilla   y  piedra   caliza   en  proporción  1   a   4 aproximadamente.

b) Puzolánicos:   La  puzolana  del   cemento  puede   ser  de  origen  orgánico  o   de  origen volcánico.

Existen diversos tipos de cemento, diferentes por su composición, por sus propiedades de resistencia y durabilidad, y por lo tanto por sus destinos y usos.

Desde el punto de vista químico se trata en general de una mezcla de silicatos y aluminatos de calcio, obtenidos a través del cocido de calcareo, arcilla y arena. El material obtenido, molido   muy   finamente,   una   vez   que   se   mezcla   con   agua   se   hidrata   y   solidifica progresivamente.  Puesto que  la  composición química de  los  cementos es compleja,  se utilizan terminologías específicas para definir las composiciones.

3. PROPIEDADES QUÍMICAS

Composición química

Las materias primas constituyentes del cemento son principalmente cal, sílice, alumina y 

óxido   de   hierro.   Durante   el   proceso   de   producción   del   cemento   estos   compuestos 

interactúan para luego formar una serie de productos más complejos (silicatos cálcicos, 

aluminatos   cálcicos   y   ferritos)   que   alcanzan   un   estado  de   equilibrio   químico,   con   la 

excepción de un residuo de cal no combinada la cual no ha tenido suficiente tiempo para 

reaccionar esta es denominada como cal libre.

Para obtener una ideal general de la composición del cemento, la tabla 2.2. nos indica los 

límites de la mezcla de los diferentes óxidos de los cementos Portland.

 

TABLA 1. Límites de composición aproximados para cemento Pórtland

Dada la complejidad de la composición química del cemento, se entiende por esta a la química 

de   los   silicatos   y   aluminatos   cálcicos   anhidros   e   hidratados.   Las   formulas   se   expresan 

usualmente como suma de óxidos por ejemplo:

3CaO + SiO2 = Ca3SiO5 = C3S

En la expresión anterior tenemos la formación del silicato tricalcico, la última expresión es 

la forma simplificada más usada para la denominación de estos compuestos. Estos 

compuestos se forman en el interior del horno cuando la temperatura alcanza el punto en 

que la mezcla cruda se transforma en un líquido pastoso, que al enfriarse da origen a 

sustancias cristalinas de los primeros compuestos citados, rodeados por un material 

intersticial que contiene C4AF y otros compuestos secundarios.

Estos compuestos, denominados potenciales, no son verdaderos compuestos en el 

sentido químico pues  no se encuentran aislados sino en fases las que contienen algunas 

impurezas, sin embargo las proporciones calculadas de estos compuestos revelan valiosa 

información en cuanto a las propiedades del cemento.

Silicato tricalcico (C3S).-

También denominado Alita, es la fase principal en la mayoría de los clinkeres Pórtland, 

y se compone de 73.7% de cal y 26.3% de ácido silícico. Este compuesto presenta 

cristales poligonales bien formados, con dimensiones que varían según el grado de 

cristalización, siendo bien desarrollados cuando la cocción ha tenido lugar a 

temperatura suficientemente elevada y durante bastante tiempo, así como en 

presencia de una cantidad adecuada de fase liquida.

El silicato tricálcico contribuye de manera muy importante a las resistencias iniciales, 

siendo su velocidad de hidratación alta, así también desarrolla una alto calor de 

hidratación, se estima que su calor de hidratación completa en 120 cal/gr.

Oxido Contenido, % CaO 60-67SiO2 17-25Al2O3 3-8Fe2O3 0.5-6.0MgO 0.1-4.0Álcalis 0.2-1.3SO3 1-3

Experimentalmente se ha comprobado que los concretos elaborados con cementos 

con mayor porcentaje de silicato tricálcico presentan una mejor acción a los ciclos de 

hielo y deshielo. Se recomienda su uso en zonas de climas fríos dado su alto calor de 

hidratación, sin embargo no en construcciones masivas por la baja estabilidad 

volumétrica que pueden producir.

Silicato bicálcico (C2S).-

También denominado Belita, es la segunda fase en importancia en el clinker, y se 

compone de 65.1% de cal y 34.9% de ácido silícico. Este compuesto presenta cristales 

relativamente anchos, de contornos redondeados  y tamaño variable.

El silicato bicálcico tiene una lenta velocidad de hidratación y desarrollo de calor bajo, 

62 cal/gr, dada su lenta velocidad de endurecimiento, la contribución del silicato 

bicálcico a las resistencias iniciales es muy pequeña, siendo su efecto posterior la 

fuente principal de resistencia. Su estabilidad química es bastante buena, por lo que el 

uso de cementos con alto contenido de silicato bicálcico para producir concretos 

resistentes al ataque de sulfatos es muy recomendable.

Aluminato tricálcico (C3A).-

El aluminato tricálcico se compone de 62.3% de cal y 37.7% de alúmina. Este 

compuesto presenta un color oscuro ante el examen microscópico del clinker, después 

de los álcalis, los aluminatos son los compuestos del cemento que primero reaccionan 

con el agua. Su fraguado ocurre a una velocidad de hidratación muy alta, hasta el 

punto de ser casi instantáneo, es por esta razón que la adición de sulfato de calcio se 

hace necesaria para controlar esta velocidad de hidratación.

El aluminato tricálcico contribuye en las resistencias durante las primeras horas, su 

calor de hidratación es muy elevado 207 cal/gr.

Tanto la resistencia del concreto a ciclos de hielo y deshielo asi como su resistencia al 

ataque de sulfatos tiende a disminuir conforme se incrementa el contenido de 

aluminato tricálcico en el cemento. El aluminato tricálcico es muy sensible a la acción 

de sulfatos y cloruros, debido a la formación de sales del tipo sulfoaluminatos y 

cloroaluminatos, la formación de estas sales es de carácter expansivo, pudiendo 

originar agrietamiento y desintegración del concreto. La forma de ataque es por 

reacción del sulfato de calcio con el hidroaluminato tricálcico resultante de la 

hidratación del aluminato tricálcico, favoreciendo la formación del llamado bacilo del 

cemento químicamente sulfoaluminato de calcio hidratado, este compuesto es la 

causa de las formas más peligrosas de corrosión del concreto. Se recomienda un 

contenido máximo de aluminato tricálcico es del orden de 7%.

 

Ferroaluminato tetracálcico (C3A).-

El ferroaluminato tetracálcico se compone de 46.1% de cal, 21% de alúmina y 32.9% de 

óxido   de   hierro.   También   es   denominado   Celita   clara   o   Ferrito.   Este   compuesto 

presenta  un calor  de  hidratación  de  100  cal/gr  y  una  alta  estabilidad  química,   los 

cementos ricos en este compuesto tienen condiciones de empleo especificas en todos 

aquellos casos en que importe más la durabilidad frente a los agresivos químicos que 

las resistencias mecánicas.

4. PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS

Las propiedades físicas y mecánicas del  cemento Pórtland permiten complementar  las 

propiedades químicas y conocer otros aspectos de su bondad como material cementante.

Peso específico.-

El peso específico del cemento corresponde al material en estado compacto. Su valor 

suele  variar  para   los  cementos  Pórtland normales  entre  3.0  y  3.2.  En  el   caso de 

cementos adicionados el valor es menor de 3.0 y depende de la finura del material 

adicionado.

Es   por   su   menor   peso   específico   que   los   cementos   Pórtland   adicionados 

proporcionan una mayor cantidad de pasta para un mismo peso de cemento, esto 

mejora  las características de trabajabilidad de  los concretos elaborados con estos 

cementos.

Superficie específica (finura).-

La   finura   de   un   cemento   es   función   del   grado   de  molienda   del  mismo   y   está 

íntimamente ligado a su valor hidráulico. Puesto que la hidratación de los granos d 

cemento ocurre desde la superficie hacia el interior, el área superficial total de las 

partículas de cemento constituyen el material de hidratación. La importancia de la 

finura de un cemento radica en la influencia que puede tener sobre la velocidad de 

hidratación, la resistencia inicial y el calor generado.

La fragua de los cementos es más rápida y el agrietamiento más temprano conforme 

son  más  finos.   La   exhudación  disminuye   conforme   la  fineza   se   incrementa;   y   la 

absorción se incrementa con el grosor del grano.

La resistencia  a   la  compresión se  incrementa más que  la   resistencia  a   la   tensión 

conforme   aumenta   la   fineza   del   cemento.   La   resistencia   a   la   compresión   está 

relacionada   a   la   resistencia   a   la   flexión   como   la   raíz   cuadrada   de   la   superficie 

especifica. La contracción parece ser una función lineal de la superficie específica y el 

agrietamiento   puede   relacionarse   con   el   grado   de   desarrollo   de   resistencia   del 

concreto y en general, los cementos que ganan rápidamente su resistencia son los 

más propensos a agrietarse. Al aumentar la fineza de cualquier cemento aumenta su 

velocidad para desarrollar resistencia y así indirectamente, el riesgo de grietas por 

contracción.

Troxell  ha  encontrado que   la  parte  más  activa  de  un cemento  es  el  material  de 

diámetro menor de 10 a 15 micrones. Y desde que el área superficial varia con el 

cuadrado del diámetro de una partícula, un incremento de material en esta amplitud 

de tamaños es mucho más efectiva en el incremento de la superficie específica, y por 

tanto de la actividad de un cemento, que una correspondiente reducción en algunas 

de las fracciones más gruesas.

Para  determinar   la  finura  de  un cemento  existen  diferentes  métodos  entre  ellos 

tenemos: la prueba de Blaine y el turbidimetro Wagner.

Fraguado.-

Este es el término utilizado para describir  la rigidez de la pasta del cemento, aun 

cuando la definición de rigidez de la pasta puede considerarse un poco arbitraria. En 

términos generales el fraguado se refiere a un cambio del estado fluido al estado 

rígido. Aunque durante el fraguado la pasta adquiere cierta resistencia, para efectos 

prácticos es conveniente distinguir el fraguado del endurecimiento, pues este último 

término se refiere al incremento de resistencia de una pasta de cemento fraguada.

El proceso de fraguado va acompañado de cambios de temperatura en la pasta del 

cemento: el fraguado inicial corresponde a un rápido aumento en temperatura y el 

final, al máximo de temperatura. En este momento también se produce una fuerte 

caída en la conductividad eléctrica, por lo que se han realizado algunos intentos de 

medir el fraguado por medios eléctricos.

Resistencias mecánicas.-

La resistencia mecánica del cemento endurecido es la propiedad del material que 

posiblemente resulta más obvia en cuanto a los requisitos para usos estructurales. 

Por lo tanto, no es sorprendente que las pruebas de resistencia estén indicadas en 

todas las especificaciones del cemento.

La resistencia de un cemento es función de su fineza, composición química, grado de 

hidratación, así como del contenido de agua de la pasta. La velocidad de desarrollo 

de la resistencia es mayor durante el periodo inicial de endurecimiento y tiende  a 

disminuir   gradualmente  en  el  tiempo.  El   valor  de   la   resistencia  a   los  28  días   se 

considera como la resistencia del cemento. Anteriormente se ha indicado, de qué 

manera se desarrolla el proceso de endurecimiento del cemento.

Compacidad de los cementos.-

La compacidad es una característica usualmente asociada a la mecánica de suelos, sin 

embargo la particularidad de las mezclas de concreto de usar materiales granulares 

abarcan este concepto, el cual ha sido recientemente usado para caracterizar a los 

cementos  y   su   interacción  con   los  aditivos  plastificantes  y   superplastificantes.   La 

compacidad  y  porosidad  de   los  materiales  finos   como el   cemento  no  puede   ser 

medida en seco como en caso de  las gravas y arenas. En efecto es  indispensable 

tomar   en   cuenta   la   floculación   generada   en   presencia   del   agua,   y   el   efecto 

defloculante   de   los   superplastificantes   o   plastificantes   que   son   utilizados   en   el 

concreto.

Para esto se desarrolló el ensayo de demanda de agua, bajo el principio siguiente: en 

una mezcla de peso Pp de cemento con una cantidad de agua Pe necesaria para 

hacer   pasar   la   mezcla   de   un   estado   de   tierra   húmeda   a   un   estado   de   pasta 

homogénea,  esta cantidad de agua es considerada como la cantidad que  llena  la 

porosidad del acomodo de los granos.

5. EL CEMENTO PORTLANDEl cemento Portland es el tipo de cemento más utilizado como ligante para la preparación del hormigón o concreto.

Fue inventado en 1824 en Inglaterra por el albañil Joseph Aspdin. El nombre se debe a la semejanza en su aspecto con las rocas encontradas en Portland, una isla del condado de Dorset.

La fabricación del cemento Portland se da en tres fases: (i) Preparación de la mezcla de las materias primas; (ii) Producción del clinker; y, (iii) Preparación del cemento.

Las materias primas para la producción del Portland son minerales que contienen: óxido de calcio (44%), óxido de silicio (14,5%), óxido de aluminio (3,5%), óxido de hierro (3%) y óxido de magnesio (1,6%).

La extracción de estos minerales se hace en canteras, que preferiblemente deben estar próximas a la fábrica, con frecuencia los minerales ya tienen la composición deseada, sin embargo en algunos casos es necesario agregar arcilla o calcáreo, o bien minerales de hierro, bauxita, u otros minerales residuos de fundiciones.

La mezcla es calentada en un horno especial, con forma de un gran cilindro (llamado kiln) dispuesto casi horizontalmente, con ligera inclinación, que rota lentamente. La temperatura aumenta a lo largo del cilindro hasta llegar a unos 1400 °C, que hace que los minerales se combinen pero sin que se fundan o vitrifiquen.

En la zona de menor temperatura, el carbonato de calcio (calcáreo) se disocia en óxido de calcio y dióxido de carbono(CO2). En la zona de alta temperatura el óxido de calcio reacciona con los silicatos y forma silicatos de calcio (Ca2Si y Ca3Si). Se forma también una pequeña cantidad de aluminato tricálcico (Ca3Al) y ferroaluminato tetracálcico (Ca4AlFe). El material resultante es denominado clinker. El clinker puede ser conservado durante años antes de proceder a la producción del cemento, con la condición de que no entre en contacto con el agua. 

La energía necesaria para producir el clinker es de unos 1.700 julios por gramo, pero a causa de las pérdidas de calor el valor es considerablemente más elevado. Esto comporta una gran demanda de energía para la producción del cemento y, por tanto, la liberación de gran cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera, un gas de efecto invernadero.

Para mejorar las características del producto final al clinker se agrega aproximadamente el 2% de yeso y la mezcla es molida finamente. El polvo obtenido es el cemento preparado para su uso.

El cemento obtenido tiene una composición del tipo:

64% óxido de calcio21% óxido de silicio5,5% óxido de aluminio4,5% óxido de hierro2,4% óxido de magnesio1,6% sulfatos1% otros materiales, entre los cuales principalmente agua.

Cuando el cemento Portland es mezclado con agua, se obtiene un producto de características plásticas con propiedades adherentes que solidifica en algunas horas después y endurece progresivamente durante un período de varias semanas hasta adquirir su resistencia característica. El endurecimiento inicial es producido por la reacción del agua, yeso y aluminato tricálcico, formando una estructura cristalina de calcio-aluminio-hidrato, estringita y monosulfato.

El sucesivo endurecimiento y el desarrollo de fuerzas internas de tensión derivan de la reacción más lenta del agua con el silicato tricálcico formando una estructura amorfa llamada calcio-silicato-hidrato. En ambos casos, las estructuras que se forman envuelven y fijan los granos de los materiales presentes en la mezcla. Una última reacción produce el gel de silicio (SiO2). Las tres reacciones generan calor.

Con el agregado de materiales particulares al cemento (calcáreo o cal) se obtiene el cemento plástico, que fragua más rápidamente y es más fácilmente trabajable. Este material es usado en particular para el revestimiento externo de edificios.

La calidad del cemento Portland deberá estar de acuerdo con la norma ASTM C 150.

6. REACCIONES DE FORMACIÓN DEL CLINKER

1000–1100°C3CaO+Al2O3 3CaOAl2O32CaO+SiO2 2CaOSiO2CaO+Fe2O3 CaOFe2O3

1100–1200°CCaOFe2O3+3CaOAl2O3 4CaOAl2O3Fe2O3

1250 - 1480°C2CaOSiO2+CaO 3CaOSiO2

La composición final será de:50% 3CaOSiO2

25% 2CaOSiO2

12% 3CaOAl2O3

8% 4CaOAl2O3Fe2O3

7. REACCIONES DE HIDRATACIÓNLas reacciones de hidratación, que forman el proceso de fraguado son:

2(3CaOSiO2) + (x+3)H2O 3CaO2SiO2xH2O + 3Ca(OH)22(2CaOSiO2)+ (x+1)H2O 3CaO2SiO2xH2O + Ca(OH)22(3CaOAl2O3)+ (x+8)H2O 4CaOAl2O3xH2O + 2CaOAl2O38H2O3CaOAl2O3 + 12H2O + Ca(OH)2 4CaOAl2O313H2O4CaOAl2O3Fe2O3 + 7H2O 3CaOAl2O36H2O + CaOFe2O3H2O

Estas reacciones son todas exotérmicas. La más exotérmica es la hidratación de 3CaOAl2O3, seguida de la de 3CaOSiO2, y luego 4CaOAl2O3Fe2O3 y finalmente2CaOSiO2.

8. MÉTODOS DE FABRICACIÓN DEL CEMENTO

Se usan dos procesos principales para la fabricación del cemento:

A. El  proceso seco  donde  las  materias  primas son reducidas  a  un tamaño apropiado, luego son molidas, mezcladas y alimentadas al horno para formar el clinker, después del cual se agrega yeso al clinker y la mezcla final es molida para formar el cemento portland. 

B. El  proceso húmedo,  difiere del  anterior  en que para adecuar   la  materia  prima,  se agrega agua durante la molienda, luego el material es agregado al horno en la forma de un lodo (slurry). 

8.1 EL PROCESO SECO: de  fabricación  del  cemento empieza  con  la  extracción  de  la piedra caliza de la cantera. Esta piedra, la principal materia prima, debe ser reducida de tamaño, lo cual se hace en sucesivas etapas pasando del tamaño de la roca al de un grano de harina. Al iniciar el último paso de reducción se dosifican las otras materias primeras, la arcilla y el mineral de hierro. El material así preparado está listo para ingresar al horno, donde a altas temperaturas se transforman los óxidos naturales en un mineral artificial llamado clínker. La última parte del proceso consiste en la molienda del clínker con un poco  de  yeso  natural  para   regular  el   fraguado,  y  cuando se  agregan  aditivos  y  otros materiales. 

Las etapas en el proceso seco de obtención del cemento son:

I. Selección de la materia primaII. Trituración y molienda de la materia prima.III. Prehomogenización (mezcla de los materiales en las proporciones correctas, para 

obtener el polvo crudo).IV. Molienda del polvo crudoV. Homogenización del polvo crudoVI. Calcinación del polvo crudo.VII. Almacenamiento de clinkerVIII. Transformación de clinker en cemento (Molienda del producto calcinado, 

conocido como clínker, junto con una pequeña cantidad de yeso).IX. Almacenamiento y embarque

I. Materias primas El proceso de producción se inicia con la extracción de las materias primas (caliza y otros) de la zona de canteras mediante un sistema de explotación superficial (tajo abierto).Para fabricar el clinker, base para la fabricación del cemento, se requiere esencialmente caliza y pizarra, además se emplean minerales de fierro (hematita) y sílice en cantidades pequeñas (1 a 5 %) para obtener la composición deseada. 

I. Caliza

Se   encuentra   en   las   capas   superficiales   de   muchos   cerros   y   montañas,   en depósitos de profundidad variable, Los hay de más de 200 metros. Para la fabricación de cemento se sacan volúmenes muy grandes porque la caliza representa el 80% de las materias primas que forman el clínker. Por eso conviene que esté cerca de la planta; de no ser así el costo del cemento se elevaría demasiado por razón del acarreo.

Debido a su dureza se extrae de las canteras con el empleo de explosivos. Una voladura puede producir de 30 a 100 mil toneladas de materia prima.

II. Pizarra

Se les llama "pizarra" a las arcillas constituidas principalmente por óxidos de silicio de un 45 a 65%, por óxidos de aluminio de 10 a 15%, por óxidos de fierro de 6 a 12% y por   cantidades   variables   de   óxido   de   calcio   de   4   a   10%.   La   pizarra   representa aproximadamente  un  15% de   la  materia  prima  que   formará  el   clínker.  Como estos minerales son relativamente suaves, el sistema de extracción es similar al de la caliza, sólo que requiere explosivos con menor potencia.

III. Sílice

Eventualmente se agregan arenas sílicas que contienen de 75% a 80% de sílice, para obtener el óxido de silicio requerido en la mezcla cruda. Los depósitos de sílice comúnmente se denominan jales de sílice. Los jales son un desecho de las minas, rico en óxido de silicio. 

IV. Hematita

A  lo  que  aporta  mineral  de  fierro   se   le   llama   'hematita',   aunque  pueden   ser diversos minerales de fierro o escoria de laminación. La hematita contiene entre 75 y 90% de óxido férrico. Con estos minerales se controla el contenido de óxido férrico de la mezcla. La hematita constituye entre el 1 y 2% de la mezcla cruda.

V. Caolín

El   caolín   es   una   arcilla   con   alto   contenido  de   alúmina  que   se   utiliza   para   la fabricación del cemento blanco.

II. Trituración y molienda de la materia prima. Todo el material necesita reducirse al tamaño máximo de ¾”, para que pueda alimentar a los  molinos,   de  manera   que   es   preciso   triturar   las   grandes   rocas   resultantes   de   las voladuras de caliza.

Generalmente esta operación (trituración primaria y trituración secundaria)se realiza en las  mismas   canteras,   de  donde   se   transporta   el  material   a   los   respectivos  patios  de almacenamiento de la planta. 

III. Prehomogenización La prehomogenización se lleva a cabo mediante un sistema especial de almacenamiento y recuperación  de   los  materiales   triturados,  de   tal   forma que  el  material   resultante   se uniforma en distribución de tamaño y composición

De  los  patios  de  prehomogeneización   los  minerales   son   transportados  por  medio  de sistemas de bandas, y descargados a tolvas, las cuales alimentan a los poidómetros para dosificar los materiales.

Los poidómetros son mecanismos que tienen una banda giratoria bajo la cual hay una báscula electrónica. Si cae poco material, la velocidad de la banda aumenta y viceversa.

Una vez triturada, prehomogeneizadas y dosificadas, las materias primas alimentan a los molinos de crudo.

IV. Molienda de polvo crudo La molienda se realiza para facilitar la reacción química de los materiales en el horno,  en los molinos se hace un muestreo a cada hora, se verifica la composición química, y se comprueba la finura del polvo.

El resultado del análisis indica si es preciso ajustar la dosificación y la finura, ya que la mezcla cruda necesariamente debe conservar cierta relación entre los óxidos de silicio, aluminio, fierro y calcio.

Se lleva un estricto control químico, además, las partículas de caliza no deben ser mayores de 125 micras y  las de cuarzo no deben medir  más de 45 micras para garantizar una operación normal del  horno. si   la mezcla de polvo crudo no fuera uniforme, el  horno tendería a enfriarse o a calentarse demasiado, lo que obligaría a ajustar la velocidad o el flujo de combustible.

VI. Homogeneización de polvo crudo. El   producto   de   la  molienda   se   lleva   a   un   silo   homogeneizador,   donde   un   sistema neumático mezcla el material para mejorar su uniformidad, y lo deposita en los silos de almacenamiento. De los silos sale a una tolva de nivel constante que lo transporta a la parte más alta de la unidad de calcinado

VII. Calcinación del polvo crudo La   unidad   de   calcinación   consta   de   cuatro   zonas:   secado,   precalentamiento, precalcinación y clinkerización

El secado implica la evaporación de la humedad de la materia prima a 110o C El precalentador aumenta la capacidad de la unidad de calcinación, ahorra energía 

y reduce el dióxido de carbono que sale a la atmósfera. La temperatura de calcinación es de 1450o C. El polvo calcinado y convertido en 

clinker pasa al enfriador, donde se le inyecta aire a presión que lo enfría hasta 40o 

C.

Los cambios físicos y químicos son graduales. Cuando el polvo crudo entra a la cuarta zona del  horno cambia  su composición química  en una suma de compuestos  que se  llama clínker.

La   palabra   clínker   procede   del   inglés   y   significa   'escoria'.   Se   define   clínker   como   el producto obtenido por fusión incipiente de materiales arcillosos y calizos que contengan óxido de calcio, silicio, aluminio y fierro en cantidades convenientemente calculadas.

El producto de la calcinación debe tener una composición química predeterminada. No debe haber exceso de cal porque aparecería como cal  libre en el cemento y hacer un concreto produciría expansiones y grietas. Sería un cemento insano. Es importante, por ende, evitar la cal libre mediante la correcta dosificación de las materias primas y una 

clinkerización a la temperatura adecuada, (1450° C).

VIII. Almacenamiento de clinker El clinker frió se almacena a cubierto, de donde se conduce a la molienda final en la combinación con yeso, puzolana, caliza y otros y otros aditivos, según el tipo de cemento que se desea obtener 

IX.

Transformación de clinker en cemento (Molienda del producto calcinado, conocido como clínker, junto con una pequeña cantidad de yeso). Para producir cemento se pulveriza el clinker, y se le agrega  yeso como retardador del fraguado, y la puzolana natural, que es un material volcánico, la cual contribuye a la resistencia del cemento.

Para producir cemento se parte del clínker. al material proveniente de la pulverización del clínker se le agrega yeso sin calcinar, así como materiales que no excedan del 1% del peso total y que no sean nocivos para el comportamiento posterior del cemento.

El yeso que se mezcla funciona como retardador del fraguado. La combinación de clínker y yeso alcanza una proporción óptima. Es decir, para obtener un cemento con mayor resistencia se requiere agregar el yeso necesario solamente.

Cierta relación de clínker y yeso ofrecen una resistencia inicial un día después de fraguar. Para mejorar resistencia a los 28 días la proporción debe ser otra.

Yeso

El yeso que usa es el sulfato de calcio dihidratado. Regula la hidratación y el fraguado del cemento  mediante   una   reacción   con   el   aluminato   tricálcico.   Al   formar   el   sulfoaluminato tricálcico, la mezcla se va hidratando poco a poco y además acelera la hidratación del silicato tricálcico. El yeso para hacer cemento necesita ser muy puro. 

Proceso físico-químico

La transformación del  polvo crudo en clínker  es  un proceso donde ocurren cambios físico-químicos.

En general, el proceso de fabricación de cemento implica las siguientes reacciones, que se efectúan dentro de la unidad de calcinación. 

        El secado implica la evaporación de la humedad de la materia prima a una temperatura de 110° C.

        La deshidratación se da a temperaturas mayores de 450° C, y significa la pérdida del agua químicamente unida a compuestos tales como algunas arcillas y agregados.

        A los 900° C la caliza se descompone en cal viva (CaO) y dióxido de carbono (CO2). Esta cal está lista para reaccionar y debe ser tratada rápidamente a la zona de clinkerización.

CaCO3(s) --------- CaO(s) + CO2(g)

        Los óxidos de fierro comienzan a reaccionar con la cal y la alúmina, para formar ferroaluminato tetracálcico líquido a la temperatura de 1300°C, a la que se disuelven los minerales, incrementando la reacción entre ellos.

        A los 1338° C los materiales disueltos en el ferroaluminato tetracálcico (C4 AF) reaccionan, formando todo el silicato dicálcico (C2S).

2CaO(s) + SiO2(s) --------- Ca2SiO4(s)

        El aluminato tricálcico (C3A) se termina de formar a los 1400° C. La cal que se encuentra en exceso reacciona con parte del silicato dicálcico (C2S) para formar silicato tricálcico (C3A).

CaO(s) + Ca2SiO4(s) -------- Ca3SiO5(s)

Tanto el Ca2SiO4 como el Ca3SiO5 son componentes importantes del cemento como lo son los análogos del aluminio que se forman a partir del contenido de aluminio de las arcillas.

CaO(s) + Al2O3(s) -------- CaAl2O4(s)

2CaO(s) + CaAl2O4(s) -------- Ca3Al2O6(s)

         El   precalentador   aumenta   la   capacidad  de   la  Unidad,   ahorra   energía   y   ahora   que cuidamos   el   medio   ambiente,   reduce   mucho   el   dióxido   de   carbono   que   sale   a   la atmósfera.

        La temperatura de calcinación es de 1450° C. Ese calor se debe mantener parejo en la zona de calcinación del horno para que se realicen las reacciones químicas.

         El   polvo   calcinado   y   convertido  en   clínker   pasa   al   enfriador,   donde   llega   con  una temperatura aproximada de 1000° C. En el enfriador al clínker se le inyecta mucho aire a presión que lo enfría hasta los 40° C. Pierde calor con rapidez porque está formado de nódulos o bolitas de poco volumen y de polvo. Si hubiera piedras, al romperse estarían rojas por dentro todavía.

         Parte del aire que se calienta al contacto con el polvo se aprovecha para facilitar la quema del combustóleo, el que ya tiene poca temperatura se va a la atmósfera a través de un colector de residuos. 

X. Almacenamiento y embarque

De los silos que almacenan los diferentes tipos de cemento o mortero parten unos ductos para sacar el producto y llevarlo, en uno de los casos, hacia la ensacadora; en otro hacia el terminal de carga para la entrega a granel

El transporte se realiza generalmente por carretera, por medio de camiones y de trailer. La   plataformas   de   estos   vehículos   reciben   la   carga   de   bultos  mediante   estibadoras automáticas.

El cemento a granel se distribuye en trailer equipados de contenedores especiales que se presurizan para descargar el cemento, o bien, se envía por ferrocarril desde la planta.

9. DIAGRAMA DEL FLUJO DEL PROCESO DE FABRICACIÓN DEL CEMENTO

10. USOS Y APLICACIONES La producción de cemento y sus aplicaciones tiene, dentro del sector de minerales no metálicos, el vínculo más estrecho con la actividad edificadora, ya que sus productos están enteramente dirigidos a las diferentes etapas de la construcción; tanto a vivienda, como a infraestructura.

Esta fuerte relación con la actividad constructora hace de la cadena, y en especial del sector productor de cemento, un sector estratégico para la industria.

El cemento exhibe su mayor utilidad al ser transformado en concreto y mortero. El primero surge básicamente de la combinación de cemento, gravilla, arena y agua; mientras que el segundo resulta de mezclar cemento, arena y agua. Los concretos sirven como elementos estructurales en la construcción, mientras que los morteros sirven como materiales de pega en mampostería (paredes). El productor de concreto está íntimamente vinculado con la industria del cemento, dado que éste constituye su principal materia prima.

11. IMPACTO AMBIENTAL DE LA INDUSTRIA DEL CEMENTOLa industria del cemento tiene un impacto ambiental negativo importante para la salud, en función de su localización con relación a centros poblados.

La industria del cemento incluye las instalaciones con hornos que emplean el proceso húmedo o seco para producir cemento de piedra caliza, y las que emplean agregado liviano para producirlo a partir de esquisto o pizarra. Se utilizan hornos giratorios que elevan los materiales a temperaturas de 1400 °C. Las materias primas principales son piedra caliza, arena de sílice, arcilla, esquisto, marga y óxidos de tiza. Se agrega sílice, aluminio y hierro en forma de arena, arcilla, bauxita, esquisto, mineral de hierro y escoria de alto horno. Se introduce yeso durante la fase final del proceso. La tecnología de hornos de cemento se emplea en todo el mundo. Usualmente, las plantas de cemento se ubican cerca de las canteras de piedra caliza a fin de reducir los costos de transporte de materia prima.

Emisiones atmosféricas de una fábrica de cemento sin los controles adecuados sobre las emisiones atmosféricas.

Fábrica de cemento en Australia, no se aprecian emisiones atmosféricas dañinas.

IMPACTOS AMBIENTALES POTENCIALES

Las plantas de cemento pueden tener impactos ambientales positivos en lo que se relaciona con el manejo de los desechos, la tecnología y el proceso son muy apropiados para la reutilización o destrucción de una variedad de materiales residuales, incluyendo algunos desperdicios peligrosos. Asimismo, el polvo del horno que no se puede reciclar en la planta sirve para tratar los suelos, neutralizar los efluentes ácidos de las minas, estabilizar los desechos peligrosos o como relleno para el asfalto.

Los impactos ambientales negativos de las operaciones de cemento ocurren en las siguientes áreas del proceso: manejo y almacenamiento de los materiales (partículas), molienda (partículas), y emisiones durante el enfriamiento del horno y la escoria (partículas o "polvo del horno", gases de combustión que contienen monóxido (CO) y dióxido de carbono (CO2), hidrocarburos, aldehídos, cetonas, y óxidos de azufre y nitrógeno). Los contaminantes hídricos se encuentran en los derrames del material de alimentación del horno (alto pH, sólidos suspendidos, sólidos disueltos, principalmente potasio y sulfato), y el agua de enfriamiento del proceso (calor residual). El escurrimiento y el líquido lixiviado de las áreas de almacenamiento de los materiales y de eliminación de los desechos puede ser una fuente de contaminantes para las aguas superficiales y freáticas.

El polvo, especialmente la sílice libre, constituye un riesgo importante para la salud de los empleados de la planta cuya exposición provoca la silicosis. Algunos de los impactos mencionados pueden ser evitados completamente, o atenuados más exitosamente, si se escoge el sitio de la planta con cuidado.

TEMAS ESPECIALES

Emisiones de partículas a la atmósfera

La   fabricación   de cemento incluye   el transporte de  materiales   polvorientos   o   pulverizados desde la cantera de piedra caliza, hasta el embarque del producto terminado para envío. Las partículas   son   la   causa   más   importante   del impacto   ambiental negativo.   Los precipitadores electrostáticos,  o   los filtros de  bolsa,   constituyen  un   requerimiento   rutinario para controlar las emisiones de partículas de los hornos. El control del polvo que resulta del transporte de los materiales es uno de los desafíos más difíciles; las bandas transportadoras, pilas de acopio, y caminos de la planta, pueden ser causas más importantes de degradación de la calidad del aire, que las emisiones del molino y el horno. Se deben emplear recolectores mecánicos de polvo donde sea práctico, por ejemplo, en los trituradores, transportadores y el sistema  de   carga.   En   la  mayoría   de   los   casos,   el   polvo   recolectado  puede   ser   reciclado, reduciendo el costo y disminuyendo la producción de desechos sólidos. Se puede mantener limpios los camiones de la planta con aspiradoras y/o rociadores, a fin de eliminar el polvo atmosférico causado por el tráfico y el viento. Deben ser cubiertas las pilas de acopio tanto como sea posible. Los camiones que transportan materiales a la planta y fuera de ésta deben tener carpas y límites de velocidad.

Descargas de desechos líquidos

En las plantas del proceso "seco", se alimentan al horno las materias primas secas. El único efluente es el agua de enfriamiento, y ésta puede ser eliminada con torres de enfriamiento o piscinas. En el proceso "Húmedo", se alimentan las materias primas al horno en forma de una lechada. En algunos casos, las plantas pueden lixiviar el polvo del horno que se ha recolectado, a fin de eliminar el álcali soluble antes de volver a alimentarlo al horno. En estas plantas, el rebosamiento del clarificador del proceso de lixiviación constituye la fuente mas severa de contaminación hídrica; requiere neutralización (posiblemente mediante carbonicen) antes de descargarlo.

Uso de los hornos de cemento para reciclar o eliminar los desechos

Los  desechos  de aceite, solventes,   residuos  de pintura y  otros  desperdicios inflamables,  han sido utilizados como combustibles suplementarios para los hornos de cemento. Esta práctica comenzó  en   los  Estados  Unidos  en  1979,  para   conservar  energía   y   reducir   los   costos  de combustible,   y  ha   sido   satisfactorio  en   términos,   tanto  de   la   calidad  del  producto,   como el impacto   ambiental.   Además,   algunos   desechos   sólidos   pueden   ser   utilizados   como combustibles, tal como las llantas gastadas. Los requerimientos de materia prima pueden ser satisfechos,   parcialmente,   con   los   desperdicios   (rutinariamente   usados)   de   otras industrias: yeso de  las  plantas  de ácido fosfórico, piritas tostadas  de  la  producción de ácido sulfúrico, escoria de los altos hornos , y ceniza de las plantas termoeléctricas acarbón.

La alta temperatura de la llama y la naturaleza del producto hacen que los hornos de cemento sean  atractivos  para  destruir  una  variedad  de  materiales  orgánicos  peligrosos.  Manejados correctamente,   los   hornos   constituyen   una   alternativa   mucho   menos   costosa   que   los 

incineradores de desechos. Las pruebas realizados por la Agencia de Protección Ambiental de los   EE.UU.   y   otros,   han   demostrado   que   la   destrucción   de   los   compuestos   orgánicos, incluyendo   PCB   y   los pesticidas organocloruros   y   órgano   fósforos,   iguala   o   supera   los resultados   logrados   por   los incineradores de   desperdicios   peligrosos   que   operan   a temperaturas más bajas. Muchos compuestos metálicos tóxicos pueden ser quemados en los hornos  de  cemento  en  cantidades  que  sean  suficientemente  pequeñas,  y  que  no  afecten negativamente la calidad del producto, ni la seguridad, porque se vinculan a la escoria y llegan a formar parte del producto. El plomo, sin embargo, requiere atención especial; hasta la mitad de la cantidad introducida sale del horno y se precipita con el polvo del horno. El reciclaje del polvo aumenta la concentración del plomo hasta el punto en que éste, también, se vincula a la escoria,  pero  una  cantidad  pequeña   (0.2  a  1.0  por  ciento)   se  escapa  con   los  gases  de   la chimenea. Talium se   emite   con   el humo del   horno,   es   decir,   no   se   liga   a   los   sólidos.   Los estudios del comportamiento del mercurio, hasta la década de los 90, han sido inconcluyentes.

12. BIBLIOGRAFIA

Ing. DUDA, Walter H., “Manual Tecnológico del Cemento” Editores Técnicos Asociados S.A. (Barcelona, 1977) 

Ph.D. MURDOCK, L.J., “Elaboración del Concreto y sus aplicaciones”, Compañía Editorial Continental S.A. (México) 

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1948) Libro de Consulta para Evaluación Ambiental (Volumen I; II y III). Trabajos Técnicos del 

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