Portland cement is a binder or hydraulic cement that, when mixed with aggregates "Aggregate (mining)"), water and discontinuous and discrete steel fibers, has the property of forming a resistant and durable stone mass called concrete. It is the most common in construction and is used as a binder for the preparation of concrete (called concrete in various parts of Latin America). As a hydraulic cement, it has the property of setting and hardening in the presence of water, by chemically reacting with it to form a material with good binding properties.
It was invented in 1824 in England by the builder Joseph Aspdin, the year in which he received the patent.[1] The name is due to the similarity in appearance with the rocks found on the island of Portland, in the county of Dorset, although it is also argued that this assignment had the objective of associating it with 'high quality' within the market for construction elements[2] of the limestone from the aforementioned locality.
It usually has an intense slate gray color or a pale ivory color (in which case it is called white cement).
According to a report by the International Energy Agency,[3] the increase in global population, growing urbanization processes and infrastructure needs for development, mean that the demand for cement is increasing worldwide. This makes Portland cement the most consumed manufactured substance on the planet and the industrial cement production sector ranks third in industrial energy use, comprising 7% of the total or equivalent to around 10.7 exajoules.
Portland cement manufacturing
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 ) 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.
Portland Cement (Invention)
Introduction
Portland cement is a binder or hydraulic cement that, when mixed with aggregates "Aggregate (mining)"), water and discontinuous and discrete steel fibers, has the property of forming a resistant and durable stone mass called concrete. It is the most common in construction and is used as a binder for the preparation of concrete (called concrete in various parts of Latin America). As a hydraulic cement, it has the property of setting and hardening in the presence of water, by chemically reacting with it to form a material with good binding properties.
It was invented in 1824 in England by the builder Joseph Aspdin, the year in which he received the patent.[1] The name is due to the similarity in appearance with the rocks found on the island of Portland, in the county of Dorset, although it is also argued that this assignment had the objective of associating it with 'high quality' within the market for construction elements[2] of the limestone from the aforementioned locality.
It usually has an intense slate gray color or a pale ivory color (in which case it is called white cement).
According to a report by the International Energy Agency,[3] the increase in global population, growing urbanization processes and infrastructure needs for development, mean that the demand for cement is increasing worldwide. This makes Portland cement the most consumed manufactured substance on the planet and the industrial cement production sector ranks third in industrial energy use, comprising 7% of the total or equivalent to around 10.7 exajoules.
Portland cement manufacturing
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.
kiln
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.
Modules
The modules are characteristic values of each cement or lime, which allow us to know the relationship in percentage terms of the various components in the final product. For Portland cement you have:
Hydraulic module.
Silicate module.
Silica module.
Alumina module.
Environmental Impact
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].
Positive impacts on the environment
The use of Portland cement used together with natural compounds such as soil to produce earth-cement bricks can have positive environmental effects compared to more traditional alternatives such as conventional brick or ceramic blocks. This, especially with regard to the availability of materials (the soil usually near or in the construction area), energy savings by dispensing with fire to make bricks and reduction in transportation costs by producing in situ.[8].
Use of alternative materials in eco-cements
With the aim of reducing the carbon footprint of Portland cement, strategies have been developed that include the use of supplementary cementitious materials as partial substitutes for clinker. A study evaluated the feasibility of using volcanic ash from the Cumbre Vieja volcano (La Palma, Spain) in the manufacture of eco-cements.[9].
The ash generated by the 2021 eruption is characterized by its high content of silica (45%) and alumina (15%), which gives it a pozzolanic reaction with portlandite. The results of the study indicate that cements with up to 40% volcanic ash meet the required chemical, physical and mechanical standards, in addition to presenting good intrinsic durability. Its incorporation could contribute significantly to the reduction of CO₂ emissions in the cement industry and encourage the development of cements with lower environmental impact.[9].
Types of Portland cements
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.
Special Portland cements
Special Portland cements are those obtained in the same way as normal Portland cement, but they have different characteristics due to variations in the percentage of the components that make it up.
[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.
Modules
The modules are characteristic values of each cement or lime, which allow us to know the relationship in percentage terms of the various components in the final product. For Portland cement you have:
Hydraulic module.
Silicate module.
Silica module.
Alumina module.
Environmental Impact
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].
Positive impacts on the environment
The use of Portland cement used together with natural compounds such as soil to produce earth-cement bricks can have positive environmental effects compared to more traditional alternatives such as conventional brick or ceramic blocks. This, especially with regard to the availability of materials (the soil usually near or in the construction area), energy savings by dispensing with fire to make bricks and reduction in transportation costs by producing in situ.[8].
Use of alternative materials in eco-cements
With the aim of reducing the carbon footprint of Portland cement, strategies have been developed that include the use of supplementary cementitious materials as partial substitutes for clinker. A study evaluated the feasibility of using volcanic ash from the Cumbre Vieja volcano (La Palma, Spain) in the manufacture of eco-cements.[9].
The ash generated by the 2021 eruption is characterized by its high content of silica (45%) and alumina (15%), which gives it a pozzolanic reaction with portlandite. The results of the study indicate that cements with up to 40% volcanic ash meet the required chemical, physical and mechanical standards, in addition to presenting good intrinsic durability. Its incorporation could contribute significantly to the reduction of CO₂ emissions in the cement industry and encourage the development of cements with lower environmental impact.[9].
Types of Portland cements
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.
Special Portland cements
Special Portland cements are those obtained in the same way as normal Portland cement, but they have different characteristics due to variations in the percentage of the components that make it up.
[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