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Cementos Portland, C0mpuestos de Calcio y de Magnesio

El aprovechamiento de la piedra caliza y los cementos en la industria ha proporcionado importantes empresas a los qumicos y a los ingenieros desde los primeros aos cuando se comenzaron a usar los morteros de cal y los cementos naturales.

Lo conveniente, lo barato, la adaptabilidad, la resistencia y durabilidad de los productos de cemento, han sido la base de las aplicaciones enumeradas.

Cementos Portland

Los seres humanos haban descubierto desde haca mucho tiempo la existencia de ciertas rocas naturales que, por simple calcinacin, daban un producto que se endureca al agregarle agua, sin embargo el verdadero avance no tuvo lugar sino hasta que los estudios fisicoqumicos y la ingeniera qumica sentaron las bases para las modernas y eficientes plantas que trabajan en condiciones muy controladas con una gran diversidad de materias primas

Historia

En 1824, el ingles Joseph Aspdin, patent un cemento artificial, elaborado por medio de la calcinacin de una piedra caliza arcillosa. A tal producto lo llamo portland; porque el concreto elaborado con ese cemento se pareca a una famosa piedra de construccin encontrada en la Isla de Portland, cerca de Inglaterra.

La escoria dura como resultante de la calcinacin de la mezcla arcilla y piedra caliza o materiales semejantes, se conoce con el nombre de cemento portland.

Concreto y cemento no son trminos sinnimos.

El concreto es piedra artificial hecha de la mezcla, cuidadosamente controlada de cemento, agua, agregado fino y grueso (por lo general, arena y roca gruesa).

Tipos de Cemento Portland

El cemento portland ha sido definido como El producto obtenido por la pulverizacin de la escoria consistente, esencialmente de silicatos hidrulicos de calcio que, por lo general, contienen una o ms formas de sulfato de calcio como adicin interna de molienda.

Las reacciones implicadas en el endurecimiento del cemento son la hidratacin y la hidrlisis.

Segn la Norma Tcnica Peruana (NTP) la definicin de Cemento Portland es Cemento hidrulico producido mediante la pulverizacin del clinker compuesto esencialmente de silicatos de calcio hidrulicos y que contiene generalmente sulfato de calcio y eventualmente caliza como adicin durante la molienda.

Los cementos normalizados en el Per.

Cementos Portland Convencionales segn Norma Tcnica Peruana (NTP) No 334.009 son:

Procedimiento de Produccin

Se necesita dos tipos de materiales para la produccin de cemento portland:

Uno rico en calcio (calcreo), como piedra caliza, greda, etc.

Otro rico en slice (arcilloso) como es la arcilla.

En algunas plantas adems de utilizar materiales naturales, se emplea la escoria de altos hornos y carbonatos de calcio precipitado, obtenido como subproducto de las industrias del lcali y del sulfato de amonio sinttico.

A veces se emplea arena, bauxita de desecho y mineral de hierro en pequeas cantidades para ajustar la composicin de la mezcla.

Se agrega yeso (entre 4 y 5%) a fin de regular el tiempo de fraguado del cemento.

Materias primas usadas en la produccin de cemento portland en Estados Unidos

Estas materias primas se muelen o pulverizan, se mezclan, y se calientan (se calcinan) en el horno rotatorio para formar la escoria (clinker) de cemento a continuacin se muestran los compuesto predominantes formados durante la calcinacin.

En la industria del cemento se emplean las siguientes abreviaturas para los compuestos de la escoria.

En la siguiente tabla se muestra los compuestos predominantes formados durante la calcinacin.

Durante la calcinacin se registran varias reacciones como la evaporacin de agua, la evolucin de dixido de carbono y la reaccin entre la cal y la arcilla.

La mayora de las reacciones ocurren durante la fase slida, pero cuando est por terminar el proceso, sucede la importante fusin.

La formacin de lquido comienza a los 1250C y es probable que no ocurra ninguna formacin apreciable de C3S por debajo de esta temperatura.

El C3S es el constituyente principal del cemento, en cuanto a la produccin de resistencia, y durante su formacin, la cal libre presente se reduce a una pequea cantidad

Entre el 20 y 30% de las reacciones se llevan a cabo en la fase fluida final.

La escoria de cemento se fabrica mediante procesos secos, as como hmedos.

El proceso hmedo, aunque es el original, frecuentemente es desplazado por el proceso seco, especialmente en las plantas nuevas, debido al ahorro de calor, al control exacto y al mezclado de la mixtura cruda que proporciona.

El proceso seco es aplicable especialmente a la roca natural de cemento y a la mezcla de piedra caliza y arcilla, esquisto o pizarra.

En este proceso, los materiales se pueden triturar en forma gruesa, y pasarlos luego a travs de molinos giratorios y de martillos, se secan y clasifican segn su tamao, y despus se muelen ms finamente en molinos de tubos, seguidos por separadores de aire.

Antes de entrar en el horno se efecta un mezclado completo mediante aire u otro mtodo.

Este material seco, pulverizado, se vierte directamente en los hornos rotatorios, donde tiene lugar las reacciones qumicas mencionadas.

El calor se proporciona mediante la quema de petrleo, gas o carbn pulverizado, usando aire precalentado en el enfriamiento de la escoria.

En aos pasados se ha presentado la tendencia a alargar el horno rotatorio para aumentar la eficiencia trmica.

Los hornos para el proceso seco pueden ser muy cortos, hasta de 45 m, pero en el proceso hmedo no es extrao encontrar hornos de 90 a 180 m. Es comn que el dimetro interno est entre 2,5 y 6 m.

Los hornos se hacen girar a una velocidad entre y 2 rpm, segn el tamao.

Los hornos estn ligeramente inclinados de modo que el material alimentado por la terminal superior viaje lentamente hacia la terminal inferior, en donde esta el calentamiento, lo que requiere entre 1 y 3 horas. Con el propsito de obtener mayor economa de calor, se retira parte del agua de la lechada del proceso hmedo.

En virtud de que el recubrimiento del horno debe soportar abrasiones y ataques qumicos a altas temperaturas registradas en la zona de escoriacin, resulta difcil la eleccin de un recubrimiento refractario.

Por tal motivo se usan mucho los ladrillos ricos en almina y en magnesia.

El producto final formado consiste en masas duras, granulares de un tamao de 3 a 20 mm, llamado escoria.

Esta escoria se descarga del horno rotatorio para mantenerla en enfriadores accionados por medio de aire, en los que baja rpidamente su temperatura hasta aproximadamente 100 o 200 C.

En forma simultanea, estos enfriadores precalientan el aire de combustin.

La pulverizacin, seguida de una molienda fina en los molinos de tubos y bolas, y el empacado automtico, completa el proceso.

Durante la molienda fina se agregan retardadores de fraguado, como yeso o lignosulfanato de calcio, as como los agentes arrastradores de aire, dispersantes y agentes a prueba de agua.

La escoria se muele en seco por medio de varios circuitos.

Fraguado y endurecimiento del cemento

Aunque se han propuesto muchas tericas para explicar el fraguado y el endurecimiento del cemento, por lo general se est de acuerdo en que intervienen la hidratacin y la hidrlisis.

Los productos de hidratacin tienen muy baja solubilidad en agua. Si esto no fuera cierto, el concreto en contacto con el agua sera rpidamente atacado.

Se ha prestado mucha atencin al calor desprendido durante la hidratacin del cemento.

Los diversos compuestos que contribuyen al calor de endurecimiento (en base a pesos iguales) despus de 28 das.

Elfraguadoes el proceso de endurecimiento y prdida de plasticidad delhormign(omortero de cemento), producido por la desecacin y recristalizacin de los hidrxidos metlicos procedentes de la reaccin qumica del agua de amasado con los xidos metlicos presentes en elclnkerque compone elcemento.

As, se emplea cemento de bajo de calor de fraguado en la construccin de todas las grandes presas para evitar el agrietamiento de la estructura a causa de las tensiones del calor durante el fraguado y el enfriamiento.

Como una medida de seguridad adicional, las estructuras se enfran durante el fraguado mediante la circulacin de agua fra a travs de tuberas ligeras de 2,5 cm, colocadas en la masa de concreto.

Otros cementos

Para muchas condiciones de corrosin, el cemento portland es inadecuado. De ah que se hayan mejorado muchos cementos especiales.

PUZOLANAS:

Recibe su nombre de la poblacin dePozzuoli, en las faldas del Vesubio, donde ya en tiempos romanos era explotada para la fabricacin de cemento puzolnico. Despus el trmino fue extendindose a todos aquellos materiales que por sus propiedades similares a la Puzolana de origen natural pueden tener usos sustitutivos.

son materialessilceoso alumino-silceos a partir de los cuales se produca histricamente el cemento, desde la antigedad Romana hasta la invencin delcemento Portlanden el siglo XIX.

Las propiedades de las puzolanas dependen de la composicin qumica y la estructura interna. Se prefiere puzolanas con composicin qumica tal que la presencia de los tres principales xidos (SiO2,Al2O3,Fe2O3) sea mayor del 70%. Se trata que la puzolana tenga una estructura amorfa.

Este cemento se hace al moler de 2 a 4 partes de puzolana con 1 parte de cal hidratada. La puzolana es el material que no es cementoso en s mismo, pero que deviene as al mezclarse con la cal.

La primera resistencia de un cemento semejante es inferior a la del cemento portland, pero al cumplirse un ao, las resistencias son iguales.

La ventaja de este cemento consiste en que soporta la accin corrosiva de las soluciones salinas y del agua de mar mucho que el cemento portland.

CEMENTOS RICOS EN ALMINA

Es esencialmente cemento de silicato de calcio, se fabrica al fundir una mezcla de piedra caliza y de bauxita. Esta ltima contiene generalmente xido de hierro, slice, magnesia y otras impurezas. Tal cemento se caracteriza porque desarrolla con rapidez, fuerza y resistencia superiores al agua de mar y al agua cargada con sulfatos.

CEMENTOS DE SILICATO

Los cementos de silicato, de fraguado qumico y cargados con slice, soportan cualquier concentracin de cidos inorgnicos, excepto el de fluorhdrico. No son adecuados para valores de pH superiores a 7 o en presencia de sistemas que formen cristales.

Cal

Historia

La manufactura de la cal y su aplicacin puede investigarse hasta la civilizacin romana, griega y egipcia. Pero la primera noticia escrita, definida, concerniente a la cal, proviene de los romanos.

En su libro De Architectura, Marcus Pollio, ingeniero y arquitecto clebre que vivi durante el imperio de Augusto (27 a de C. a 14 d. de C.), trata de manera bastante completa el empleo de la cal para morteros en la construccin de trabajos portuarios, pavimentos y edificios.

No fue sino hasta hace pocos aos que, bajo la influencia de la investigacin de la ingeniera qumica, la manufactura de la cal se desarroll, para formar una gran industria bajo control tcnico exacto, de lo cual resultaron productos uniformes a un costo ms bajo.

Usos y Economa:

La cal misma puede utilizarse con propsitos mdicos, como insecticida, como alimento para las plantas y los animales, para la absorcin de los gases, en la precipitacin, deshidratacin y caustificacin.

Se emplea como reactivo en procesos:

Del sulfito para la fabricacin del papel,

Para eliminar el pelo de los cuerpos,

En la manufactura del acero y del cemento de alto grado,

En el ablandamiento de las aguas,

En la recuperacin de los subproductos del NH3,

En la Manufactura del jabn, hule, barnices, refractarios, y ladrillos de arena cal.

Sabas que la cal, la arcilla o los materiales resultantes de su tratamiento estn presentes en prcticamente todo aquello que haces a cada minuto del da?

La cal, la doloma calcinada y los minerales se utilizan para fabricar el cristal de la ventana por la que nos asomamos, para purificar el agua corriente, para elaborar azcar y como parte de la alimentacin de las gallinas que ponen los huevos que comemos. Tambin est presente en el peridico que leemos por las maanas, en el tratamiento de los gases de combustin liberados durante los procesos de gestin de residuos, en la fabricacin del metal, vidrio y otros materiales utilizados para fabricar nuestros coches, en el asfalto con que se construyen las carreteras por las que conducimos e incluso en la produccin de los zapatos de piel que calzamos.

Produccin:

La cal se produce a partir de la piedra caliza, localizada cerca de los centros de consumo, de modo que los costos de los fletes resultan bajos.

Los carbonatos de calcio y de magnesio se encuentran en los depsitos de piedra caliza, mrmol, greda, dolomita o conchas de ostin.

Para utilidad qumica, se prefiere una piedra caliza bastante pura, en calidad de material inicial, debido a que de ello resulta una cal con elevado contenido de calcio.

Las canteras elegidas son las que exhiben rocas que contienen bajos porcentajes en impurezas de slice, arcilla o hierro.

Los grumos que a veces se descubren en la cal sobrecalcinada o en la anhidra. Se deben a los cambios en el CaO mismo, as como a la accin del exceso de calor sobre ciertas impurezas, reconocidas como masas de material vitrificado, relativamente inerte.

Por otro parte, sucede con frecuencia que la piedra caliza prcticamente pura se calcina de modo insuficiente, y se retiene grumos de carbonato de calcio. Esta cal se conoce como subcalcinada

Durante la calcinacin el volumen se contrae, y durante la hidratacin se hincha.

La reaccin de calcinacin es reversible. Por debajo de 650C, la presin del equilibrio de descomposicin del CO2 es bastante pequea.

Entre 650 y 900C, la presin de descomposicin aumenta rpidamente y alcanza 101 Kpa a mas o menos 900 C.

En la mayora de los hornos que estn en operacin, la presin parcial del CO2 en los gases en contacto directo con la parte exterior de los grumos es inferior a 101 Kpa, por lo tanto, la descomposicin inicial puede tener lugar a temperaturas un poco inferiores a 900C.

La temperatura de descomposicin en el centro del grumo est probablemente por encima de los 900C, ya que ah la presin parcial del CO2 no slo es igual o cercana de la presin total, sino tambin debe ser lo suficientemente elevada para causar que el gas se salga del grumo, donde puede entrar en la corriente gaseosa.

La secuencia de pasos conectados con la manufactura en los hornos mostrados en las siguientes figuras son:

Extraccin de la piedra caliza de una cantera u, ocasionalmente, de vetas subterrneas.

Transporte desde la cantera a los molinos, generalmente en un ferrocarril industrial,

Trituracin y clasificacin, segn el tamao de la piedra, en trituradoras de mandbula y giratorias.

Tamizado para retirar varios tamaos,

Acarreo de piedras grandes a la parte superior de los hornos verticales,

Transporte de rocas pequeas a un horno rotatorio,

Transporte de los finos a un pulverizador para hacer caliza pulverizada para utilidad agrcola y otros,

Calcinacin de la piedra caliza de acuerdo a su tamao, en hornos verticales, para producir cal en grumos, o en hornos horizontales rotatorios, para producir cal fina,

La cal terminada se empaca en barriles o en tambores de hoja de acero, o se transporta a un hidratador.

Hidratacin de la cal,

Empacado de la cal apagada en bolsas de papel de 25 Kg.

Los hornos rotatorios tienen la capacidad ms alta y producen cal de calidad ms uniforme, pero requieren de mayor inversin de capital, tienen un alto consumo de energa y necesitan sistemas de recoleccin de polvo muy caros.

Los hornos verticales: La caracterstica principal que tienen en comn los hornos verticales es su divisin en cuatro secciones o zonas imaginarias.

1) Almacenamiento

2) Precalentamiento

3) Calcinacin y

4) Enfriamiento.

Yeso

El yeso es un mineral que se encuentra en grandes depsitos de todo el mundo. Es sulfato de calcio hidratado, con la frmula CaSO4.2H2O. Cuando se calienta ligeramente, ocurre lo siguiente:

Si el calentamiento ocurre a mayor temperatura, el yeso pierde toda el agua y se convierte en sulfato de calcio anhidro o anhidrita.

El yeso calcinado (la sal con la mitad de agua), puede utilizarse como yeso para las paredes mediante la adicin de un material de relleno como la pulpa de madera o arena.

Sin adiciones se conoce como yeso blanco y se emplea para hacer moldes; es hidrulico y se endurece bajo el agua, pero tambin es ligeramente soluble en agua. Por lo que no debe exponerse a la humedad.

Calcinacin del Yeso:

El mtodo comn para calcinar el yeso consiste en moler el mineral y colocarlo en grandes calcinadores, donde caben de 9 a 22 t.

La temperatura se eleva aproximadamente 120 y 150C, se agita constantemente para mantener uniforme la temperatura.

El material en la paila, conocido comnmente como yeso blanco, mate o yeso de Pars, y por el fabricante, como yeso de primera sedimentacin, puede retirarse y venderse en esa calidad o puede calentarse hasta 190C para producir un material conocido como yeso de segunda sedimentacin.

El yeso de primera sedimentacin es, aproximadamente, el medio hidrato.

El yeso de segunda sedimentacin es la anhidra.

Prcticamente, todo el yeso para cubrir que se vende est en la forma de yeso de primera sedimentacin, mezclado con arena o con pulpa de madera.

La segunda forma se emplea en la manufactura de cartn yeso y de otros productos de yeso.

Endurecimiento del Yeso

El endurecimiento del yeso es esencialmente una conversin qumica del hidratacin, representada por la ecuacin:

Este se asienta y se endurece debido a que el agua reacciona para formar un hidrato slido, cristalino. El yeso comercial contiene generalmente algo de goma en el agua empleada, o algn material, para retardar el tiempo de asentamiento y darle oportunidad al yesero para que lo aplique.

BIBLIOGRAFIA

George T. Austin; 1988; Manual de Procesos Qumicos en la Industria; Tomo I; 1era Edicin Espaol; McGraw-Hill.

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Pakasmayo; Cemento y sus aplicaciones; https://es.scribd.com/doc/250058867/100611-Cemento-y-sus-aplicaciones-pdf