El cemento Portland es un conglomerante o cemento hidráulico que, cuando se mezcla con áridos "Árido (minería)"), agua y fibras de acero discontinuas y discretas tiene la propiedad de conformar una masa pétrea resistente y duradera denominada hormigón. Es el más usual en la construcción y es utilizado como conglomerante para la preparación del hormigón (llamado concreto en varias partes de Hispanoamérica). Como cemento hidráulico tiene la propiedad de fraguar y endurecer en presencia de agua, al reaccionar químicamente con ella para formar un material de buenas propiedades aglutinantes.
Fue inventado en 1824 en Inglaterra por el constructor Joseph Aspdin año en que recibió la patente.[1] El nombre se debe a la semejanza en aspecto con las rocas que se encuentran en la isla de Pórtland, en el condado de Dorset, aunque también se argumenta que esta asignación tenía el objetivo de asociarla a 'alta calidad' dentro del mercado de elementos de construcción[2] de las calizas de la referida localidad.
Suele poseer un color gris pizarra intenso o bien un color marfil pálido (en cuyo caso se hace llamar cemento blanco).
De acuerdo un informe de la Agencia Internacional de Energía,[3] el aumento de la población global, los procesos de urbanización crecientes y las necesidades de infraestructura para el desarrollo, hacen que la demanda de cemento esté en aumento a nivel mundial. Esto hace que el cemento Portland sea la sustancia manufacturada más consumida en el planeta y que el sector industrial de producción de cemento ocupe el tercer lugar en uso de energía industrial, comprendiendo el 7% del total o equivalente a alrededor de 10,7 exajulios.
Fabricación del cemento Portland
Contenido
La fabricación del cemento Portland se da en tres fases:.
Las materias primas para la producción del portland son minerales que contienen:.
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 bien carbonato de calcio, o bien minerales de hierro, bauxita, u otros minerales residuales de fundiciones.
Cemento Portland (Invención)
Introducción
El cemento Portland es un conglomerante o cemento hidráulico que, cuando se mezcla con áridos "Árido (minería)"), agua y fibras de acero discontinuas y discretas tiene la propiedad de conformar una masa pétrea resistente y duradera denominada hormigón. Es el más usual en la construcción y es utilizado como conglomerante para la preparación del hormigón (llamado concreto en varias partes de Hispanoamérica). Como cemento hidráulico tiene la propiedad de fraguar y endurecer en presencia de agua, al reaccionar químicamente con ella para formar un material de buenas propiedades aglutinantes.
Fue inventado en 1824 en Inglaterra por el constructor Joseph Aspdin año en que recibió la patente.[1] El nombre se debe a la semejanza en aspecto con las rocas que se encuentran en la isla de Pórtland, en el condado de Dorset, aunque también se argumenta que esta asignación tenía el objetivo de asociarla a 'alta calidad' dentro del mercado de elementos de construcción[2] de las calizas de la referida localidad.
Suele poseer un color gris pizarra intenso o bien un color marfil pálido (en cuyo caso se hace llamar cemento blanco).
De acuerdo un informe de la Agencia Internacional de Energía,[3] el aumento de la población global, los procesos de urbanización crecientes y las necesidades de infraestructura para el desarrollo, hacen que la demanda de cemento esté en aumento a nivel mundial. Esto hace que el cemento Portland sea la sustancia manufacturada más consumida en el planeta y que el sector industrial de producción de cemento ocupe el tercer lugar en uso de energía industrial, comprendiendo el 7% del total o equivalente a alrededor de 10,7 exajulios.
Fabricación del cemento Portland
Contenido
La fabricación del cemento Portland se da en tres fases:.
Las materias primas para la producción del portland son minerales que contienen:.
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 bien carbonato de calcio, o bien minerales de hierro, bauxita, u otros minerales residuales 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 o caliza) se disocia en óxido de calcio y dióxido de carbono (CO). En la zona de alta temperatura el óxido de calcio reacciona con los silicatos y forma silicatos de calcio (CaSi y CaSi). Se forma también una pequeña cantidad de aluminato tricálcico (CaAl) y ferroaluminato tetracálcico (CaAlFe). El material resultante es denominado clínker. El clínker 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.[4].
La energía necesaria para producir el clínker es de unos 1700 julios "Julio (unidad)") 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 clínker se agrega aproximadamente el 2 % de yeso "Yeso (mineral)") (aljez) y la mezcla es molida finamente. El polvo obtenido es el cemento preparado para su uso.
El cemento obtenido tiene una composición del tipo:.
Cuando el cemento Portland se mezcla con agua se obtiene un producto de características plásticas con propiedades adherentes que solidifica en algunas horas 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 sílice "Óxido de silicio (IV)") (SiO). Las tres reacciones generan calor.
Las reacciones de hidratación, que forman el proceso de fraguado son:.
6 CaOSiO + (x+3) HO → 3 CaO2SiO·xHO + 3 Ca(OH)
4 CaOSiO+ (x+1) HO → 3 CaO2SiO·xHO + Ca(OH)
6 CaOAlO+ (x+8) HO → 4 CaOAlO·xHO + 2 CaOAlO·8HO
3 CaOAlO + 12 HO + Ca(OH) → 4 CaOAlO·13HO
4 CaOAlOFeO + 7 HO → 3 CaOAlO·6HO + CaOFeOHO.
Estas reacciones son todas exotérmicas. La más exotérmica es la hidratación de CaOAlO, seguida de la de CaOSiO, y luego CaOAlOFeO y finalmente CaOSiO.
El yeso, o aljez "Yeso (mineral)"), se agrega generalmente al clínker para regular el fraguado. Su presencia hace que el fraguado se concluya aproximadamente en 45 minutos. El yeso reacciona con el aluminato tricálcico para formar una sal expansiva llamada etringita.[5]
3 CaOAlO + 3 CaSO·2HO + 26 HO → 3CaOAlO·3CaSO·32HO.
Módulos
Los módulos son valores característicos de cada cemento o cal, que permiten conocer en qué relación se encuentran, porcentualmente, los diversos componentes en el producto final. Para el cemento portland se tiene:.
Módulo hidráulico.
Módulo de silicatos.
Módulo silícico.
Módulo de alúmina.
Impacto Ambiental
La producción de cemento Portland comprende una serie de impactos ambientales. La descomposición de la piedra caliza (carbonato de calcio), representa aproximadamente dos tercios de las emisiones totales de CO2 generadas en el proceso, mientras el resto de emisiones de CO2 se debe a la combustión de combustibles, volviendo al sector en uno de los responsables más grandes del total emisiones industriales directas de dióxido de carbono (alrededor de un 27% o 2,2 gigatoneladas de dióxido de carbono por año en 2014[3]). Existen otros impactos relacionados, como emisiones de ruido, partículas de polvo y otros impactos relacionados con su producción y distribución como el ciclo de vida de la mina, entre otros.
El cemento Portland está directamente relacionado con la construcción y constituye uno de los factores principales de desarrollo de los países, por lo que reemplazarlo en su totalidad no es viable. Dado que su empleo en el futuro seguirá vigente, es necesario reducir su impacto ambiental, por lo que existen una serie de acciones dirigidas a mitigar el impacto de la industria en cuanto a polución y eficiencia energética.[6].
Estudios recientes demuestran que se puede mejorar la eficiencia económica y disminuir los impactos ambientales del cemento Portland, mediante el uso de una serie técnicas que incluyen el uso de materiales cementicios suplementarios que reducen las emisiones de Co2, el empleo de aditivos tecnológicos utilizados en el proceso de molienda, que mejoran el rendimiento del molino al reducir el consumo específico de energía o el empleo de arcillas calcinadas como sustituto parcial del Clinker, entre otros.[6].
De la misma manera, actualmente se prioriza el empleo de tecnologías de mitigación ambiental y control de la contaminación, de aquellos contaminantes emitidos a la atmósfera durante fabricación de cemento, como la generación del polvo, emisiones de dióxido de azufre, emisiones de óxidos de nitrógeno o la propia contaminación acústica.[7].
Impactos Positivos en el ambiente
El uso del cemento Portland empleado junto a compuestos naturales como el suelo para producir ladrillos de tierra-cemento, puede tener efectos ambientales positivos frente a alternativas más tradicionales como el ladrillo convencional o los bloques de cerámica. Esto, en especial en lo que respecta a disponibilidad de los materiales (el suelo usualmente cerca o en la zona de construcción), ahorro de energía al prescindir de fuego para elaboración de ladrillos y reducción de costo de transporte al producirse in situ.[8].
Uso de materiales alternativos en eco-cementos
Con el objetivo de reducir la huella de carbono del cemento Portland, se han desarrollado estrategias que incluyen el uso de materiales cementicios suplementarios como sustitutos parciales del clínker. Un estudio evaluó la viabilidad del uso de ceniza volcánica procedente del volcán Cumbre Vieja (La Palma, España) en la fabricación de eco-cementos.[9].
La ceniza generada por la erupción de 2021 se caracteriza por su alto contenido en sílice (45 %) y alúmina (15 %), lo que le confiere una reacción puzolánica con la portlandita. Los resultados del estudio indican que los cementos con hasta un 40 % de ceniza volcánica cumplen con los estándares químicos, físicos y mecánicos requeridos, además de presentar buena durabilidad intrínseca. Su incorporación podría contribuir significativamente a la reducción de las emisiones de CO₂ en la industria cementera y fomentar el desarrollo de cementos con menor impacto ambiental.[9].
Tipos de cementos Portland
Los CEMENTOS ADICIONADOS, derivados del portland tipo I:.
Este cemento se usa de la misma manera que el cemento pórtland tipo II. Como el tipo II, se debe preparar el concreto de cemento portland tipo IMS con baja relación agua materiales cementantes para que se garantice la resistencia a los sulfatos.
Cementos Portland especiales
Los cementos Portland especiales son los que se obtienen del mismo modo que el cemento Portland normal, pero tienen características diferentes a causa de variaciones en el porcentaje de los componentes que lo conforman.
[2] ↑ Müller, Ingo (2006). Influence of cellulose ethers on the kinetics of early Portland cement hydration. KIT Scientific Publishing. p. 6. ISBN 978-3-86644-077-7. OCLC 1126199098. Consultado el 6 de junio de 2022.: https://www.worldcat.org/oclc/1126199098
[6] ↑ a b Martirena-Hernandez, Jose Fernando; Alujas-Díaz, Adrian; Amador-Hernandez, Meylin (2020). Proceedings of the International Conference of Sustainable Production and Use of Cement and Concrete : ICSPCC 2019. p. 142. ISBN 978-3-030-22034-1. OCLC 1106168679. Consultado el 6 de junio de 2022.: https://www.worldcat.org/oclc/1106168679
[7] ↑ Chatterjee, Anjan Kumar (2018). Cement production technology : principles and practice. CRC Press. ISBN 978-1-351-33574-4. OCLC 1033555002. Consultado el 6 de junio de 2022.: https://www.worldcat.org/oclc/1033555002
[8] ↑ Marques, Sheyla K. J. (2016). Ecological soil-cement bricks from waste materials. p. 8. ISBN 978-3-319-28920-5. OCLC 944247645. Consultado el 6 de junio de 2022.: https://www.worldcat.org/oclc/944247645
[9] ↑ a b Sanjuán, M. A.; Frías, M.; Monasterio, M.; García-Giménez, R.; De La Villa, R. V.; Álamo, M. (2023). «Volcanic ash from La Palma (Canary Islands, Spain) as Portland cement constituent». Journal of Building Engineering 78: 107641. doi:10.1016/j.jobe.2023.107641.: https://dx.doi.org/10.1016%2Fj.jobe.2023.107641
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 o caliza) se disocia en óxido de calcio y dióxido de carbono (CO). En la zona de alta temperatura el óxido de calcio reacciona con los silicatos y forma silicatos de calcio (CaSi y CaSi). Se forma también una pequeña cantidad de aluminato tricálcico (CaAl) y ferroaluminato tetracálcico (CaAlFe). El material resultante es denominado clínker. El clínker 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.[4].
La energía necesaria para producir el clínker es de unos 1700 julios "Julio (unidad)") 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 clínker se agrega aproximadamente el 2 % de yeso "Yeso (mineral)") (aljez) y la mezcla es molida finamente. El polvo obtenido es el cemento preparado para su uso.
El cemento obtenido tiene una composición del tipo:.
Cuando el cemento Portland se mezcla con agua se obtiene un producto de características plásticas con propiedades adherentes que solidifica en algunas horas 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 sílice "Óxido de silicio (IV)") (SiO). Las tres reacciones generan calor.
Las reacciones de hidratación, que forman el proceso de fraguado son:.
6 CaOSiO + (x+3) HO → 3 CaO2SiO·xHO + 3 Ca(OH)
4 CaOSiO+ (x+1) HO → 3 CaO2SiO·xHO + Ca(OH)
6 CaOAlO+ (x+8) HO → 4 CaOAlO·xHO + 2 CaOAlO·8HO
3 CaOAlO + 12 HO + Ca(OH) → 4 CaOAlO·13HO
4 CaOAlOFeO + 7 HO → 3 CaOAlO·6HO + CaOFeOHO.
Estas reacciones son todas exotérmicas. La más exotérmica es la hidratación de CaOAlO, seguida de la de CaOSiO, y luego CaOAlOFeO y finalmente CaOSiO.
El yeso, o aljez "Yeso (mineral)"), se agrega generalmente al clínker para regular el fraguado. Su presencia hace que el fraguado se concluya aproximadamente en 45 minutos. El yeso reacciona con el aluminato tricálcico para formar una sal expansiva llamada etringita.[5]
3 CaOAlO + 3 CaSO·2HO + 26 HO → 3CaOAlO·3CaSO·32HO.
Módulos
Los módulos son valores característicos de cada cemento o cal, que permiten conocer en qué relación se encuentran, porcentualmente, los diversos componentes en el producto final. Para el cemento portland se tiene:.
Módulo hidráulico.
Módulo de silicatos.
Módulo silícico.
Módulo de alúmina.
Impacto Ambiental
La producción de cemento Portland comprende una serie de impactos ambientales. La descomposición de la piedra caliza (carbonato de calcio), representa aproximadamente dos tercios de las emisiones totales de CO2 generadas en el proceso, mientras el resto de emisiones de CO2 se debe a la combustión de combustibles, volviendo al sector en uno de los responsables más grandes del total emisiones industriales directas de dióxido de carbono (alrededor de un 27% o 2,2 gigatoneladas de dióxido de carbono por año en 2014[3]). Existen otros impactos relacionados, como emisiones de ruido, partículas de polvo y otros impactos relacionados con su producción y distribución como el ciclo de vida de la mina, entre otros.
El cemento Portland está directamente relacionado con la construcción y constituye uno de los factores principales de desarrollo de los países, por lo que reemplazarlo en su totalidad no es viable. Dado que su empleo en el futuro seguirá vigente, es necesario reducir su impacto ambiental, por lo que existen una serie de acciones dirigidas a mitigar el impacto de la industria en cuanto a polución y eficiencia energética.[6].
Estudios recientes demuestran que se puede mejorar la eficiencia económica y disminuir los impactos ambientales del cemento Portland, mediante el uso de una serie técnicas que incluyen el uso de materiales cementicios suplementarios que reducen las emisiones de Co2, el empleo de aditivos tecnológicos utilizados en el proceso de molienda, que mejoran el rendimiento del molino al reducir el consumo específico de energía o el empleo de arcillas calcinadas como sustituto parcial del Clinker, entre otros.[6].
De la misma manera, actualmente se prioriza el empleo de tecnologías de mitigación ambiental y control de la contaminación, de aquellos contaminantes emitidos a la atmósfera durante fabricación de cemento, como la generación del polvo, emisiones de dióxido de azufre, emisiones de óxidos de nitrógeno o la propia contaminación acústica.[7].
Impactos Positivos en el ambiente
El uso del cemento Portland empleado junto a compuestos naturales como el suelo para producir ladrillos de tierra-cemento, puede tener efectos ambientales positivos frente a alternativas más tradicionales como el ladrillo convencional o los bloques de cerámica. Esto, en especial en lo que respecta a disponibilidad de los materiales (el suelo usualmente cerca o en la zona de construcción), ahorro de energía al prescindir de fuego para elaboración de ladrillos y reducción de costo de transporte al producirse in situ.[8].
Uso de materiales alternativos en eco-cementos
Con el objetivo de reducir la huella de carbono del cemento Portland, se han desarrollado estrategias que incluyen el uso de materiales cementicios suplementarios como sustitutos parciales del clínker. Un estudio evaluó la viabilidad del uso de ceniza volcánica procedente del volcán Cumbre Vieja (La Palma, España) en la fabricación de eco-cementos.[9].
La ceniza generada por la erupción de 2021 se caracteriza por su alto contenido en sílice (45 %) y alúmina (15 %), lo que le confiere una reacción puzolánica con la portlandita. Los resultados del estudio indican que los cementos con hasta un 40 % de ceniza volcánica cumplen con los estándares químicos, físicos y mecánicos requeridos, además de presentar buena durabilidad intrínseca. Su incorporación podría contribuir significativamente a la reducción de las emisiones de CO₂ en la industria cementera y fomentar el desarrollo de cementos con menor impacto ambiental.[9].
Tipos de cementos Portland
Los CEMENTOS ADICIONADOS, derivados del portland tipo I:.
Este cemento se usa de la misma manera que el cemento pórtland tipo II. Como el tipo II, se debe preparar el concreto de cemento portland tipo IMS con baja relación agua materiales cementantes para que se garantice la resistencia a los sulfatos.
Cementos Portland especiales
Los cementos Portland especiales son los que se obtienen del mismo modo que el cemento Portland normal, pero tienen características diferentes a causa de variaciones en el porcentaje de los componentes que lo conforman.
[2] ↑ Müller, Ingo (2006). Influence of cellulose ethers on the kinetics of early Portland cement hydration. KIT Scientific Publishing. p. 6. ISBN 978-3-86644-077-7. OCLC 1126199098. Consultado el 6 de junio de 2022.: https://www.worldcat.org/oclc/1126199098
[6] ↑ a b Martirena-Hernandez, Jose Fernando; Alujas-Díaz, Adrian; Amador-Hernandez, Meylin (2020). Proceedings of the International Conference of Sustainable Production and Use of Cement and Concrete : ICSPCC 2019. p. 142. ISBN 978-3-030-22034-1. OCLC 1106168679. Consultado el 6 de junio de 2022.: https://www.worldcat.org/oclc/1106168679
[7] ↑ Chatterjee, Anjan Kumar (2018). Cement production technology : principles and practice. CRC Press. ISBN 978-1-351-33574-4. OCLC 1033555002. Consultado el 6 de junio de 2022.: https://www.worldcat.org/oclc/1033555002
[8] ↑ Marques, Sheyla K. J. (2016). Ecological soil-cement bricks from waste materials. p. 8. ISBN 978-3-319-28920-5. OCLC 944247645. Consultado el 6 de junio de 2022.: https://www.worldcat.org/oclc/944247645
[9] ↑ a b Sanjuán, M. A.; Frías, M.; Monasterio, M.; García-Giménez, R.; De La Villa, R. V.; Álamo, M. (2023). «Volcanic ash from La Palma (Canary Islands, Spain) as Portland cement constituent». Journal of Building Engineering 78: 107641. doi:10.1016/j.jobe.2023.107641.: https://dx.doi.org/10.1016%2Fj.jobe.2023.107641