La fabricación de cementos comprende una serie de operaciones comunes a todos ellos; la fabricación del cemento Portland, es mas utilizado, se resume en las siguientes fases:
1. Obtención y preparación de materias primas
Las canteras se explotan mediante voladuras controladas, en el caso de materiales duros como calizas y pizarras, mientras que en el caso de materiales blandos (arcillas y margas) se utilizan excavadoras para su extracción.
2. Trituración
Una vez extraído y clasificado el material, se procede a su trituración hasta obtener una granulometría adecuada para el producto de molienda y se traslada a la fábrica mediante cintas transportadoras o camiones para su almacenamiento en el parque de prehomogeneización.
3. Prehomogeneización El material triturado se almacena en capas uniformes para ser posteriormente seleccionadas de forma controlada. La prehomogeneización permite preparar la dosificación adecuada de los distintos componentes reduciendo su variabilidad.
4. Molienda de crudo Estos materiales se muelen para reducir su tamaño y favorecer así su cocción en el horno.
5. Precalentador de ciclones
La alimentación al horno se realiza a través del precalentador de ciclones, que calienta la materia prima para facilitar su cocción .La materia prima molida se introduce por la parte superior de la torre y va descendiendo por ella. Mientras tanto, los gases provenientes del horno, ascienden a contracorriente precalentando así el crudo, que alcanza los 1.000ºC antes de entrar al horno.
6. Fabricación del clínker: Horno
A medida que la harina va avanzando en el interior del horno la temperatura va aumentando hasta alcanzar los 1.500ºC, produciéndose entonces las complejas reacciones químicas que dan lugar al clínker.
7. Fabricación del clínker: Enfriador A la salida del horno, el clínker se introduce en el enfriador, que inyecta aire frío del exterior para reducir su temperatura de los 1.400ºC a los 100ºC. El aire caliente generado en este dispositivo se introduce nuevamente en el horno para favorecer la combustión, mejorando así la eficiencia energética del proceso.
8. Molienda de clínker y fabricación de cemento El clínker se mezcla con yeso y adiciones dentro de un molino de cemento. Los molinos pueden ser de rodillos y de bolas. Este último consiste en un gran tubo que rota sobre sí mismo y que contiene bolas de acero en su interior. Gracias a la rotación del molino, las bolas colisionan entre sí, triturando el clínker y las adiciones hasta lograr un polvo fino y homogéneo: el cemento.
9. Almacenamiento del cemento
El cemento se almacena en silos, separado según sus clases.
10. Envasado o expedición a granel
El cemento se ensaca o se descarga en un camión cisterna para su transporte por carretera.
Fraguado y endurecimiento de la pasta de cemento
El cemento al ser mezclado con agua forma una pasta, que tiene la propiedad de rigidizarse progresivamente hasta constituir un sólido de creciente dureza y resistencia.
Estas características son causadas por un proceso físico - químico derivado de la reacción química del agua con las fases mineralizadas del clinker y que en su primera etapa incluye la solución en agua de los compuestos anhidros del cemento, formando compuestos hidratados. Los compuestos del cemento se hidratan a distinta velocidad, iniciándose con el C3A y continuando posteriormente con C4AF, C3S y C2S en ese mismo orden.
A partir de ese momento el proceso no es cabalmente conocido, existiendo teorías que suponen la precipitación de los compuestos hidratados, con la formación de cristales entreverados entre si que desarrollen fuerzas de adherencia, las que producen el endurecimiento de la pasta (Teoría cristaloidal de Le Chatelier) o alternativamente por el endurecimiento superficial de un gel formado a partir de dichos compuestos hidratados (Teoría coloidal de Michaelis), estimándose actualmente que el proceso presenta características mixtas.
El endurecimiento de la pasta de cemento muestra particularidades que son de interés para el desarrollo de obras de ingeniería:
-La reacción química producida es exotérmica, con desprendimiento de calor, especialmente en los primeros días.
-Durante su desarrollo se producen variaciones de volumen, de dilatación si el ambiente tiene un alto contenido de humedad o de contracción si este es bajo.
El proceso Progreso de la hidratación de una partícula de cemento se muestra en la siguiente figura y es producido es dependiente de las características del cemento, principalmente de su composición y de su finura, los cuales condicionan en especial la velocidad de su generación.
La cantidad de agua relacionada con la de cemento (llamada relación aguacemento o simplemente a/c), afecta a la resistencia de la pasta, pues interviene en la interrelación entre los productos de hidratación de las distintas partículas de cemento. Esto explica bastante claramente que cuando se utiliza una baja relación a/c, la interrelación es mucho más estrecha y, consecuentemente, es de esperar que la resistencia sea superior a cuando se utiliza una alta relación a/c donde las partículas se encuentran más alejadas.
Otra forma de ver este fenómeno, es el esquema de la figura siguiente, donde se puede observar, que cuando más baja es la relación a/c, más bajo será el volumen de poros de la pasta, por lo tanto si pensamos a que la resistencia del cemento u hormigón sigue las reglas de la resistencia de cualquier material sólido, es de esperar que la misma dependa de la relación entre "vacíos" y "llenos" estableciéndose que cuando mayor sea el contenido de "llenos" mayor será la resistencia del elemento.
Adicionalmente, en la figura se observa que los hormigones de alta relación a/c, no solamente presentan una baja resistencia sino que tienen alta porosidad y, consecuentemente, alta permeabilidad y espacio para la formación de grandes cristales de (OH)2Ca (cal) y etringita (hidróxido de sulfato de calcio-aluminio hidratado), por lo cual se verá afectada la durabilidad debido a que sustancias agresivas pueden ingresar al hormigón con cierta facilidad disueltas en agua o el aire.
Efecto de las adiciones minerales.
Las adiciones minerales (diferentes a los aditivos) son compuestos naturales o artificiales que se incorporan al cemento o directamente al hormigón con el objeto de mejorar el comportamiento del cemento u hormigón en estado fresco y/o endurecido.
Clasificación de las adiciones minerales
En la figura anterior se intenta realizar una clasificación de las adiciones minerales utilizadas mundialmente en la industria del cemento. Una primera clasificación divide las mismas en activas e inactivas. Las adiciones activas son aquellas que tienen la capacidad de hidratarse y formar compuestos SCH de manera similar a los formados en la hidratación del clinker portland. A su vez, estas pueden separarse en las que poseen hidraulicidad latente y las puzolánicas. Las primeras tienen la capacidad de hidratarse por sí mismas en presencia de agua y un agente catalizador.
Escoria granulada de alto horno
Es un subproducto de la fabricación del hierro y posee una composición química parecida al clinker portland. Cuando se la granula, mediante el enfriamiento violento con ayuda de agua inyectada a presión o combinando aire + agua, sus minerales componentes permanecen en un estado vítreo (no cristalino) que le confiere una hidraulicidad latente. No hay que confundir con la escoria enfriada al aire que, al ser enfriada en forma lenta, presenta un ordenamiento de cristales propio del estado sólido por lo cual no tiene propiedades hidráulicas y suele utilizarse como agregado o balasto.
Puzolanas
Son minerales naturales o artificiales en los que predominan la sílice amorfa y la alúmina. Para que pueda producirse la reacción puzolánica indicada anteriormente, es necesario que la sílice esté en estado amorfo. Las puzolanas naturales son rocas de origen volcánico (tobas y cenizas volcánicas) o de naturaleza orgánica de origen sedimentario (dolomitas). En nuestro país se utilizan mayoritariamente puzolanas naturales. En otros países, en función a las disponibilidades generadas por otras industrias se dispone de puzolanas artificiales entre las que se encuentran las arcillas activadas térmicamente, las cenizas volantes (fly ash) y humos de sílice (silica fume) también conocida como microsílice debido al tamaño de partículas (entre 10 y 100 veces más pequeñas que las partículas de cemento).
Filler Calcáreo
Es un mineral compuesto básicamente por carbonato de calcio que, dada su facilidad de molienda, se adiciona al cemento o se muele en forma conjunta con el clinker portland en molino de cemento y ejerce efectos beneficiosos sobre los morteros u hormigones en estado fresco.
Adicionalmente, debido a su pequeño tamaño las partículas de filler calcáreo suelen mejorar la distribución granulométrica del cemento mejorando la resistencia temprana del hormigón.
En la figura siguiente se muestra el comportamiento aproximado que presentaría un hormigón elaborado con cemento portland "puro" y utilizando una dosificación similar reemplazando parte del cemento portland "puro" por adiciones minerales.
Puede observarse que mientras las adiciones activas se hidratan a partir de las reacciones de hidratación del clinker portland, se obtienen desarrollos un tanto más lentos de resistencia aunque las resistencias finales son mayores debido a una hidratación más completa del material cementicio, en cambio, el uso de adiciones inactivas mejora la resistencia inicial de los hormigones aunque la resistencia final es menor debido a que se dispone de menor cantidad de partículas "hidratables". No obstante, este esquema es indicativo y muestra tendencias, ya que los fabricantes de cemento Pórtland conocen el comportamiento de las adiciones que utilizan para elaborar sus cementos.
Proceso de fabricación del cemento:
CONCLUSION
Como hemos visto, el proceso de fabricación de el cemento es sumamente elaborado y requiere de tiempo y el empleo de maquinaria especializada para dichos procesos, desde el primer cemento que se conoce de la historia hasta la actualidad, la fabricación del cemento y los elementos que éste debe tener han evolucionado de acuerdo las nuevas tecnologías e investigaciones. Así como también la importancia en la resistencia de hormigones, que tienen todos los elementos del cemento, genera una material de alta resistencia apto para las obras de ingeniería y arquitectura.
FUENTES CONSULTADAS
-OFICEMEN (s.f). Proceso de Fabricación del Cemento. Recuperado de: https://www.oficemen.com/el-cemento/proceso-de-fabricacion/
-Ing. Ricardo Castellanos Araujo (s.f). Guía de Clases Nº 4: Materiales de Construcción. UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA “JOSE SIMEON CAÑAS”, UCA. Recuperado de: http://www.uca.edu.sv/mecanica estructural/materias/materialesCostruccion/guiasClase/GUIA%20DE%20CLASES%20No%204.pdf
-OCEANO/CENTRUM. Biblioteca ATRIUM de la construcción, Vol. 1: Materiales para la construcción (pp 51-52). España: EDICIONES ATRIUM S.A; OCEANO GRUPO EDITORIAL,S.A.
UES2021
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