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Fabricación del cemento Portland
La fabricación del cemento Portland se da en tres fases:
- preparación de la mezcla de las materias primas
- producción del clinker
- 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 %),
- Óxidos de hierro (3 %)
- 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 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 (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 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.
La energía necesaria para producir el clínker es de unos 1700 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 clínker se agrega aproximadamente el 2 % de yeso (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:
- 64 % óxido de calcio
- 21 % óxido de silicio
- 5,5 % óxido de aluminio
- 4,5 % óxidos de hierro
- 2,4 % óxido de magnesio
- 1,6 % sulfatos
- 1 % otros materiales, entre los cuales principalmente agua.
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 (SiO2). Las tres reacciones generan calor.
Las reacciones de hidratación, que forman el proceso de fraguado son:
6 CaOSiO2 + (x+3) H2O → 3 CaO2SiO2·xH2O + 3 Ca(OH)2
4 CaOSiO2+ (x+1) H2O → 3 CaO2SiO2·xH2O + Ca(OH)2
6 CaOAl2O3+ (x+8) H2O → 4 CaOAl2O3·xH2O + 2 CaOAl2O3·8H2O
3 CaOAl2O3 + 12 H2O + Ca(OH)2 → 4 CaOAl2O3·13H2O
4 CaOAl2O3Fe2O3 + 7 H2O → 3 CaOAl2O3·6H2O + CaOFe2O·3H2O
Estas reacciones son todas exotérmicas. La más exotérmica es la hidratación de CaOAl2O3, seguida de la de CaOSiO2, y luego CaOAl2O3Fe2O3 y finalmente CaOSiO2.
Función del yeso
El yeso, o aljez, 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.
3 CaOAl2O3 + 3 CaSO4·2H2O + 26 H2O → 3CaOAl2O3·3CaSO4·32H2O
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
{\displaystyle M_{i}={\frac {\%CaO}{\%Al_{2}O_{3}+\%Fe_{2}O_{3}+\%SiO_{2}}}=1.7-2.3}
Módulo de silicatos
{\displaystyle M_{s}={\frac {\%SiO_{2}}{\%Al_{2}O_{3}+\%Fe_{2}O_{3}}}=1.9-3.2}
Módulo silícico
{\displaystyle M_{c}={\frac {\%SiO_{2}}{\%Al_{2}O_{3}}}=2.5-3.5}
Módulo de alúmina
{\displaystyle M_{f}={\frac {\%Al_{2}O_{3}}{\%Fe_{2}O_{3}}}=1.5-2.5}
