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El cemento es un aglutinante , una sustancia química que se utiliza en la construcción y que fragua , endurece y se adhiere a otros materiales para unirlos. El cemento rara vez se utiliza solo, sino que se utiliza para unir arena y grava ( agregado ). El cemento mezclado con agregado fino produce mortero para mampostería, o con arena y grava , produce hormigón . El hormigón es el material más utilizado que existe y solo está detrás del agua como recurso más consumido del planeta. [2]
Los cementos utilizados en la construcción suelen ser inorgánicos , a menudo a base de cal o silicato de calcio , y son hidráulicos o, con menos frecuencia, no hidráulicos , dependiendo de la capacidad del cemento para fraguar en presencia de agua (véase revoque de cal hidráulico y no hidráulico ).
Los cementos hidráulicos (por ejemplo, el cemento Portland ) se endurecen y se vuelven adhesivos mediante una reacción química entre los ingredientes secos y el agua. La reacción química produce hidratos minerales que no son muy solubles en agua. Esto permite el fraguado en condiciones húmedas o bajo el agua y protege aún más el material endurecido del ataque químico. El proceso químico para el cemento hidráulico fue descubierto por los antiguos romanos que usaban ceniza volcánica ( puzolana ) con cal añadida (óxido de calcio).
El cemento no hidráulico (menos común) no fragua en condiciones húmedas o bajo el agua. Más bien, fragua a medida que se seca y reacciona con el dióxido de carbono presente en el aire. Es resistente al ataque de productos químicos después de su fraguado.
La palabra "cemento" se remonta al término romano antiguo opus caementicium , utilizado para describir la mampostería parecida al hormigón moderno que se fabricaba a partir de roca triturada con cal quemada como aglutinante. Los suplementos de ceniza volcánica y ladrillo pulverizado que se añadían a la cal quemada para obtener un aglutinante hidráulico se denominaron posteriormente cementum , cimentum , cäment y cement . En la actualidad, los polímeros orgánicos se utilizan a veces como cementos en el hormigón.
La producción mundial de cemento es de aproximadamente 4.400 millones de toneladas al año (2021, estimación), [3] [4] de las cuales aproximadamente la mitad se fabrica en China, seguida de India y Vietnam. [3] [5]
El proceso de producción de cemento es responsable de casi el 8% (2018) de las emisiones globales de CO2 , [ 4] lo que incluye el calentamiento de las materias primas en un horno de cemento mediante la combustión de combustible y la liberación del CO2 almacenado en el carbonato de calcio (proceso de calcinación). Sus productos hidratados, como el hormigón, reabsorben gradualmente el CO2 atmosférico ( proceso de carbonatación), compensando aproximadamente el 30% de las emisiones iniciales de CO2 . [ 6]
Los materiales de cemento se pueden clasificar en dos categorías distintas: cementos hidráulicos y cementos no hidráulicos según sus respectivos mecanismos de fraguado y endurecimiento. El fraguado y endurecimiento del cemento hidráulico implica reacciones de hidratación y, por lo tanto, requiere agua, mientras que los cementos no hidráulicos solo reaccionan con un gas y pueden fraguar directamente al aire.
El tipo de cemento más común es el cemento hidráulico , que se endurece por hidratación de los minerales del clínker cuando se le añade agua. Los cementos hidráulicos (como el cemento Portland) están hechos de una mezcla de silicatos y óxidos, siendo las cuatro fases minerales principales del clínker, abreviadas en la notación química del cemento , las siguientes:
Los silicatos son responsables de las propiedades mecánicas del cemento: el aluminato tricálcico y la brownmillerita son esenciales para la formación de la fase líquida durante el proceso de sinterización ( cocción ) del clínker a alta temperatura en el horno . La química de estas reacciones no está completamente clara y todavía es objeto de investigación. [7]
En primer lugar, se quema la piedra caliza (carbonato de calcio) para eliminar su carbono, lo que produce cal (óxido de calcio) en lo que se conoce como reacción de calcinación . Esta reacción química única es una de las principales fuentes de emisiones globales de dióxido de carbono . [8]
La cal reacciona con el dióxido de silicio para producir silicato dicálcico y silicato tricálcico.
La cal también reacciona con el óxido de aluminio para formar aluminato tricálcico.
En el último paso, el óxido de calcio, el óxido de aluminio y el óxido férrico reaccionan juntos para formar brownmillerita.
Una forma menos común de cemento es el cemento no hidráulico , como la cal apagada ( óxido de calcio mezclado con agua), que se endurece por carbonatación en contacto con el dióxido de carbono , que está presente en el aire (~ 412 ppm vol. ≃ 0,04 % vol. %). En primer lugar, el óxido de calcio (cal) se produce a partir de carbonato de calcio ( caliza o tiza ) mediante calcinación a temperaturas superiores a 825 °C (1.517 °F) durante aproximadamente 10 horas a presión atmosférica :
Luego, el óxido de calcio se gasta (se apaga) mezclándolo con agua para hacer cal apagada ( hidróxido de calcio ):
Una vez que el exceso de agua se ha evaporado completamente (este proceso se llama técnicamente fraguado ), comienza la carbonatación:
Esta reacción es lenta, porque la presión parcial de dióxido de carbono en el aire es baja (~ 0,4 milibares). La reacción de carbonatación requiere que el cemento seco esté expuesto al aire, por lo que la cal apagada es un cemento no hidráulico y no se puede utilizar bajo el agua. Este proceso se denomina ciclo de la cal .
Tal vez la primera aparición conocida de cemento se remonta a hace doce millones de años. Un depósito de cemento se formó después de la aparición de esquisto bituminoso ubicado junto a un lecho de piedra caliza quemado por causas naturales. Estos antiguos depósitos fueron investigados en los años 1960 y 1970. [9]
El cemento, químicamente hablando, es un producto que incluye cal como ingrediente aglutinante principal, pero está lejos de ser el primer material utilizado para la cementación. Los babilonios y asirios usaban betún (asfalto o brea ) para unir ladrillos cocidos o losas de alabastro . En el Antiguo Egipto , los bloques de piedra se cementaban entre sí con un mortero hecho de arena y yeso toscamente cocido (CaSO 4 · 2H 2 O), que es yeso de París, que a menudo contenía carbonato de calcio (CaCO 3 ), [10]
La cal (óxido de calcio) se utilizó en Creta y por los antiguos griegos . Hay evidencia de que los minoicos de Creta usaban fragmentos de cerámica triturados como puzolana artificial para el cemento hidráulico. [10] Nadie sabe quién descubrió por primera vez que una combinación de cal hidratada no hidráulica y una puzolana produce una mezcla hidráulica (ver también: Reacción puzolánica ), pero dicho hormigón fue utilizado por los griegos, específicamente por los antiguos macedonios , [11] [12] y tres siglos después a gran escala por los ingenieros romanos . [13] [14] [15]
Hay una especie de polvo que, por causas naturales, produce resultados asombrosos. Se encuentra en las cercanías de Baiae y en los alrededores de las ciudades que rodean el Vesubio . Esta sustancia, cuando se mezcla con cal y escombros, no sólo da solidez a los edificios de otro tipo, sino que incluso cuando se construyen pilares con ella en el mar, se endurecen bajo el agua.
— Marcus Vitruvius Pollio , Liber II, De Architectura , Capítulo VI "Puzolana" Sec. 1
Los griegos utilizaban toba volcánica de la isla de Thera como puzolana y los romanos utilizaban ceniza volcánica triturada ( silicatos de aluminio activados ) con cal. Esta mezcla podía fraguar bajo el agua, aumentando su resistencia a la corrosión como el óxido. [16] El material se llamaba puzolana de la ciudad de Pozzuoli , al oeste de Nápoles , de donde se extraía la ceniza volcánica. [17] En ausencia de ceniza puzolánica, los romanos utilizaban ladrillo en polvo o cerámica como sustituto y es posible que hayan utilizado baldosas trituradas para este propósito antes de descubrir fuentes naturales cerca de Roma. [10] La enorme cúpula del Panteón de Roma y las enormes Termas de Caracalla son ejemplos de estructuras antiguas hechas de estos hormigones, muchos de los cuales todavía se mantienen en pie. [18] [2] El vasto sistema de acueductos romanos también hizo un uso extensivo del cemento hidráulico. [19] El hormigón romano rara vez se utilizaba en el exterior de los edificios. La técnica normal era utilizar material de revestimiento de ladrillo como encofrado para un relleno de mortero mezclado con un agregado de pedazos rotos de piedra, ladrillo, tiestos , trozos reciclados de hormigón u otros escombros de construcción. [20]
El hormigón ligero fue diseñado y utilizado para la construcción de elementos estructurales por los constructores precolombinos que vivieron en una civilización muy avanzada en El Tajín , cerca de la Ciudad de México, en México. Un estudio detallado de la composición del agregado y el aglutinante muestra que el agregado era piedra pómez y el aglutinante era un cemento puzolánico elaborado con ceniza volcánica y cal. [21]
Se desconoce si este conocimiento se ha conservado en la literatura de la Edad Media , pero los albañiles medievales y algunos ingenieros militares utilizaron activamente cemento hidráulico en estructuras como canales , fortalezas, puertos e instalaciones de construcción naval . [22] [23] Una mezcla de mortero de cal y agregado con ladrillo o piedra como material de revestimiento se utilizó en el Imperio Romano de Oriente , así como en Occidente hasta el período gótico . La Renania alemana continuó utilizando mortero hidráulico durante toda la Edad Media, con depósitos locales de puzolana llamados trass . [20]
El tabby es un material de construcción elaborado a partir de conchas de ostras, cal, arena y conchas de ostras enteras para formar un hormigón. Los españoles lo introdujeron en América en el siglo XVI. [24]
El conocimiento técnico para fabricar cemento hidráulico fue formalizado por ingenieros franceses y británicos en el siglo XVIII. [22]
John Smeaton hizo una importante contribución al desarrollo de los cementos mientras planificaba la construcción del tercer faro de Eddystone (1755-59) en el Canal de la Mancha, ahora conocido como la Torre de Smeaton . Necesitaba un mortero hidráulico que se asentara y desarrollara cierta resistencia en el período de doce horas entre mareas altas sucesivas . Realizó experimentos con combinaciones de diferentes calizas y aditivos, incluidas trass y puzolanas [10] e hizo una investigación de mercado exhaustiva sobre las cales hidráulicas disponibles, visitando sus sitios de producción, y observó que la "hidraulicidad" de la cal estaba directamente relacionada con el contenido de arcilla de la caliza utilizada para fabricarla. Smeaton era ingeniero civil de profesión y no llevó la idea más allá.
En la costa atlántica sur de los Estados Unidos, el tabby, que se basaba en los basureros de conchas de ostras de las primeras poblaciones indígenas americanas, se utilizó en la construcción de viviendas desde la década de 1730 hasta la de 1860. [24]
En Gran Bretaña, en particular, la piedra de construcción de buena calidad se volvió cada vez más cara durante un período de rápido crecimiento, y se convirtió en una práctica común construir edificios de prestigio con los nuevos ladrillos industriales y terminarlos con un estuco para imitar la piedra. Las cales hidráulicas fueron las preferidas para esto, pero la necesidad de un tiempo de fraguado rápido alentó el desarrollo de nuevos cementos. El más famoso fue el " cemento romano " de Parker. [25] Este fue desarrollado por James Parker en la década de 1780 y finalmente patentado en 1796. De hecho, no se parecía en nada al material utilizado por los romanos, sino que era un "cemento natural" hecho quemando septaria - nódulos que se encuentran en ciertos depósitos de arcilla y que contienen minerales arcillosos y carbonato de calcio . Los nódulos quemados se molían hasta obtener un polvo fino. Este producto, convertido en mortero con arena, fraguaba en 5-15 minutos. El éxito del "cemento romano" llevó a otros fabricantes a desarrollar productos rivales quemando cementos artificiales de cal hidráulica de arcilla y tiza . El cemento romano rápidamente se hizo popular, pero fue reemplazado en gran medida por el cemento Portland en la década de 1850. [10]
Aparentemente, sin conocer el trabajo de Smeaton , el francés Louis Vicat identificó el mismo principio en la primera década del siglo XIX. Vicat ideó un método para combinar tiza y arcilla en una mezcla íntima y, quemándola, produjo un "cemento artificial" en 1817 [26] considerado el "principal precursor" [10] del cemento Portland y "... Edgar Dobbs de Southwark patentó un cemento de este tipo en 1811". [10]
En Rusia, Egor Cheliev creó un nuevo aglutinante mezclando cal y arcilla. Sus resultados se publicaron en 1822 en su libro Tratado sobre el arte de preparar un buen mortero, publicado en San Petersburgo . Unos años más tarde, en 1825, publicó otro libro, en el que describía diversos métodos de fabricación de cemento y hormigón, y los beneficios del cemento en la construcción de edificios y terraplenes. [27] [28]
El cemento Portland , el tipo de cemento más común de uso general en todo el mundo como ingrediente básico del hormigón, el mortero , el estuco y la lechada no especial , se desarrolló en Inglaterra a mediados del siglo XIX y, por lo general, se origina a partir de piedra caliza . James Frost produjo lo que llamó "cemento británico" de manera similar en la misma época, pero no obtuvo una patente hasta 1822. [30] En 1824, Joseph Aspdin patentó un material similar, al que llamó cemento Portland , porque el revoque hecho con él tenía un color similar a la prestigiosa piedra Portland extraída en la isla de Portland , Dorset, Inglaterra. Sin embargo, el cemento de Aspdin no se parecía en nada al cemento Portland moderno, sino que fue un primer paso en su desarrollo, llamado protocemento Portland . [10] El hijo de Joseph Aspdins, William Aspdin, había dejado la empresa de su padre y en su fabricación de cemento aparentemente produjo accidentalmente silicatos de calcio en la década de 1840, un paso intermedio en el desarrollo del cemento Portland. La innovación de William Aspdin fue contraintuitiva para los fabricantes de "cementos artificiales", porque requerían más cal en la mezcla (un problema para su padre), una temperatura del horno mucho más alta (y por lo tanto más combustible), y el clínker resultante era muy duro y desgastaba rápidamente las muelas , que eran la única tecnología de molienda disponible en ese momento. Por lo tanto, los costos de fabricación eran considerablemente más altos, pero el producto fraguaba razonablemente lento y desarrollaba resistencia rápidamente, abriendo así un mercado para su uso en hormigón. El uso del hormigón en la construcción creció rápidamente a partir de 1850 en adelante, y pronto fue el uso dominante para los cementos. Así, el cemento Portland comenzó a desempeñar su papel predominante. Isaac Charles Johnson refinó aún más la producción de cemento meso-Portland (etapa intermedia de desarrollo) y afirmó ser el verdadero padre del cemento Portland. [31]
El tiempo de fraguado y la "resistencia temprana" son características importantes de los cementos. Las cales hidráulicas, los cementos "naturales" y los cementos "artificiales" dependen de su contenido de belita (2 CaO · SiO 2 , abreviado como C 2 S) para el desarrollo de la resistencia . La belita desarrolla la resistencia lentamente. Debido a que se quemaban a temperaturas inferiores a 1250 °C (2280 °F), no contenían alita (3 CaO · SiO 2 , abreviado como C 3 S), que es responsable de la resistencia temprana en los cementos modernos. El primer cemento que contenía alita de manera constante fue fabricado por William Aspdin a principios de la década de 1840: esto fue lo que hoy llamamos cemento Portland "moderno". Debido al aire de misterio con el que William Aspdin rodeó su producto, otros ( por ejemplo, Vicat y Johnson) han reivindicado la precedencia de esta invención, pero análisis recientes [32] tanto de su hormigón como de su cemento crudo han demostrado que el producto de William Aspdin fabricado en Northfleet , Kent, era un auténtico cemento a base de alita. Sin embargo, los métodos de Aspdin eran una "regla empírica": Vicat es responsable de establecer la base química de estos cementos, y Johnson estableció la importancia de sinterizar la mezcla en el horno .
En los EE. UU., el primer uso a gran escala del cemento fue el cemento Rosendale , un cemento natural extraído de un depósito masivo de dolomita descubierto a principios del siglo XIX cerca de Rosendale, Nueva York . El cemento Rosendale fue extremadamente popular para la base de edificios ( por ejemplo , la Estatua de la Libertad , el Capitolio , el Puente de Brooklyn ) y el revestimiento de tuberías de agua. [33] El cemento Sorel , o cemento a base de magnesia, fue patentado en 1867 por el francés Stanislas Sorel . [34] Era más fuerte que el cemento Portland, pero su baja resistencia al agua (lixiviación) y sus propiedades corrosivas ( corrosión por picaduras debido a la presencia de aniones de cloruro lixiviables y el bajo pH (8,5-9,5) de su agua intersticial) limitaron su uso como hormigón armado para la construcción de edificios. [35]
El siguiente avance en la fabricación de cemento Portland fue la introducción del horno rotatorio . Este produjo una mezcla de clínker que era más resistente, porque se forma más alita (C3S ) a la temperatura más alta que alcanzaba (1450 °C), y más homogénea. Debido a que la materia prima se alimenta constantemente a un horno rotatorio, permitió un proceso de fabricación continuo para reemplazar los procesos de producción por lotes de menor capacidad . [10]
Los cementos de aluminato de calcio fueron patentados en 1908 en Francia por Jules Bied por su mejor resistencia a los sulfatos. [36] También en 1908, Thomas Edison experimentó con hormigón prefabricado en casas en Union, NJ [37]
En los EE. UU., después de la Primera Guerra Mundial, el largo tiempo de curado de al menos un mes para el cemento Rosendale lo hizo impopular para la construcción de carreteras y puentes, y muchos estados y empresas de construcción recurrieron al cemento Portland. Debido al cambio al cemento Portland, a fines de la década de 1920 solo una de las 15 empresas de cemento Rosendale había sobrevivido. Pero a principios de la década de 1930, los constructores descubrieron que, si bien el cemento Portland fraguaba más rápido, no era tan duradero, especialmente para las carreteras, hasta el punto de que algunos estados dejaron de construir carreteras y caminos con cemento. Bertrain H. Wait, un ingeniero cuya compañía había ayudado a construir el acueducto Catskill de la ciudad de Nueva York , quedó impresionado con la durabilidad del cemento Rosendale y se le ocurrió una mezcla de cementos Rosendale y Portland que tenía los buenos atributos de ambos. Era muy duradero y tenía un tiempo de fraguado mucho más rápido. Wait convenció al Comisionado de Carreteras de Nueva York para que construyera un tramo experimental de autopista cerca de New Paltz, Nueva York , utilizando un saco de cemento Rosendale por cada seis sacos de cemento Portland. Fue un éxito y durante décadas la mezcla de cemento Rosendale y Portland se utilizó en la construcción de autopistas y puentes de hormigón. [33]
Los materiales cementicios se han utilizado como matriz de inmovilización de residuos nucleares durante más de medio siglo. [38] Se han desarrollado y aplicado a escala industrial tecnologías de cementación de residuos en muchos países. Las formas de residuos cementicios requieren un proceso de selección y diseño cuidadoso adaptado a cada tipo específico de residuo para satisfacer los estrictos criterios de aceptación de residuos para el almacenamiento y la eliminación a largo plazo. [39]
El desarrollo moderno del cemento hidráulico comenzó con el inicio de la Revolución Industrial (alrededor de 1800), impulsado por tres necesidades principales:
Los cementos modernos suelen ser cemento Portland o mezclas de cemento Portland, pero en algunos entornos industriales se utilizan otras mezclas de cemento.
El cemento Portland, una forma de cemento hidráulico, es por lejos el tipo de cemento más común en uso general en todo el mundo. Este cemento se fabrica calentando piedra caliza (carbonato de calcio) con otros materiales (como arcilla ) a 1.450 °C (2.640 °F) en un horno , en un proceso conocido como calcinación que libera una molécula de dióxido de carbono del carbonato de calcio para formar óxido de calcio , o cal viva, que luego se combina químicamente con los otros materiales en la mezcla para formar silicatos de calcio y otros compuestos cementantes. La sustancia dura resultante, llamada "clinker", luego se muele con una pequeña cantidad de yeso ( CaSO 4 ·2H 2 O ) en un polvo para hacer cemento Portland ordinario , el tipo de cemento más comúnmente usado (a menudo denominado OPC). El cemento Portland es un ingrediente básico del hormigón , mortero y la mayoría de las lechadas no especiales . El uso más común del cemento Portland es para hacer hormigón. El cemento Portland puede ser gris o blanco .
Las mezclas de cemento Portland suelen estar disponibles como mezclas intermolidas por parte de los productores de cemento, pero a menudo también se mezclan formulaciones similares a partir de los componentes molidos en la planta mezcladora de hormigón.
El cemento Portland de escoria de alto horno , o cemento de alto horno (nomenclatura ASTM C595 y EN 197-1 respectivamente), contiene hasta un 95% de escoria de alto horno granulada molida , siendo el resto clínker Portland y un poco de yeso. Todas las composiciones producen una alta resistencia última, pero a medida que aumenta el contenido de escoria, se reduce la resistencia inicial, mientras que la resistencia a los sulfatos aumenta y la evolución del calor disminuye. Se utiliza como una alternativa económica a los cementos Portland resistentes a los sulfatos y de bajo calor de fusión.
El cemento Portland a base de cenizas volantes contiene hasta un 40 % de cenizas volantes según las normas ASTM (ASTM C595) o un 35 % según las normas EN (EN 197-1). Las cenizas volantes son puzolánicas , por lo que se mantiene la resistencia final. Como la adición de cenizas volantes permite un menor contenido de agua en el hormigón, también se puede mantener la resistencia inicial. Cuando se dispone de cenizas volantes baratas de buena calidad, esta puede ser una alternativa económica al cemento Portland común. [43]
El cemento puzolánico Portland incluye cemento de cenizas volantes, ya que las cenizas volantes son una puzolana , pero también incluye cementos elaborados a partir de otras puzolanas naturales o artificiales. En países donde se dispone de cenizas volcánicas (por ejemplo, Italia, Chile, México, Filipinas), estos cementos suelen ser la forma más común de uso. Las proporciones máximas de reemplazo se definen generalmente como para el cemento Portland de cenizas volantes.
Cemento Portland con humo de sílice . La adición de humo de sílice puede producir resistencias excepcionalmente altas y, ocasionalmente, se producen cementos que contienen entre un 5 y un 20 % de humo de sílice, siendo el 10 % la adición máxima permitida según la norma EN 197-1. Sin embargo, el humo de sílice se añade más habitualmente al cemento Portland en la hormigonera. [44]
Los cementos de mampostería se utilizan para preparar morteros y estucos para albañilería , y no deben utilizarse en hormigón. Suelen ser fórmulas patentadas complejas que contienen clínker Portland y otros ingredientes que pueden incluir piedra caliza, cal hidratada, incorporadores de aire, retardadores, impermeabilizantes y colorantes. Están formulados para producir morteros trabajables que permitan un trabajo de mampostería rápido y consistente. Las variaciones sutiles del cemento de mampostería en América del Norte son los cementos plásticos y los cementos para estuco. Estos están diseñados para producir una unión controlada con los bloques de mampostería.
Los cementos expansivos contienen, además de clínker Portland, clínkeres expansivos (normalmente clínkeres de sulfoaluminato), y están diseñados para compensar los efectos de la retracción por secado que se dan normalmente en los cementos hidráulicos. Este cemento permite fabricar hormigones para losas de piso (de hasta 60 m2) sin juntas de contracción.
Los cementos blancos mezclados se pueden fabricar utilizando clínker blanco (que contiene poco o nada de hierro) y materiales complementarios blancos como metacaolín de alta pureza . Los cementos coloreados sirven para fines decorativos. Algunas normas permiten la adición de pigmentos para producir cemento Portland coloreado. Otras normas (por ejemplo, ASTM) no permiten pigmentos en el cemento Portland, y los cementos coloreados se venden como cementos hidráulicos mezclados.
Los cementos molidos muy finos son cementos mezclados con arena o con escoria u otros minerales de tipo puzolánico que se muelen extremadamente finos entre sí. Estos cementos pueden tener las mismas características físicas que el cemento normal pero con un 50% menos de cemento, en particular porque hay más área superficial para la reacción química. Incluso con una molienda intensiva, pueden utilizar hasta un 50% menos de energía (y, por lo tanto, menos emisiones de carbono) para su fabricación que los cementos Portland comunes. [45]
Los cementos de puzolana y cal son mezclas de puzolana molida y cal . Estos son los cementos que usaban los romanos y están presentes en las estructuras romanas que aún se conservan, como el Panteón de Roma. Desarrollan resistencia lentamente, pero su resistencia máxima puede ser muy alta. Los productos de hidratación que generan resistencia son esencialmente los mismos que los del cemento Portland.
Los cementos de escoria y cal (escoria granulada molida de alto horno ) no son hidráulicos por sí mismos, sino que se "activan" mediante la adición de álcalis, siendo más económico el uso de cal. Son similares a los cementos de cal puzolánica en sus propiedades. Sólo la escoria granulada (es decir, la escoria vítrea enfriada con agua) es eficaz como componente del cemento.
Los cementos supersulfatados contienen aproximadamente un 80% de escoria granulada de alto horno molida, un 15% de yeso o anhidrita y un poco de clínker Portland o cal como activador. Producen resistencia mediante la formación de etringita , con un crecimiento de la resistencia similar al de un cemento Portland lento. Presentan buena resistencia a los agentes agresivos, incluido el sulfato.
Los cementos de aluminato de calcio son cementos hidráulicos elaborados principalmente a partir de piedra caliza y bauxita . Los ingredientes activos son aluminato monocálcico CaAl2O4(CaO·Al2O3 o CA en lanotación química del cemento , CCN) y mayenita Ca12Al14O33(12CaO·7Al2O3 o C12A7 en CCN ). La resistencia se forma por hidratación a hidratos de aluminato de calcioparaen hormigones refractarios ( resistentes aaltas temperaturas), por ejemplo, para revestimientos de hornos .
Los cementos de sulfoaluminato de calcio se fabrican a partir de clínkeres que incluyen ye'elimita (Ca 4 (AlO 2 ) 6 SO 4 o C 4 A 3 S en la notación del químico del cemento ) como fase primaria. Se utilizan en cementos expansivos, en cementos de resistencia temprana ultraalta y en cementos de "baja energía". La hidratación produce etringita y se obtienen propiedades físicas especializadas (como expansión o reacción rápida) mediante el ajuste de la disponibilidad de iones de calcio y sulfato. Su uso como alternativa de baja energía al cemento Portland ha sido pionero en China, donde se producen varios millones de toneladas por año. [46] [47] Los requisitos de energía son menores debido a las temperaturas de horno más bajas requeridas para la reacción y la menor cantidad de piedra caliza (que debe descarbonatizarse endotérmicamente) en la mezcla. Además, el menor contenido de piedra caliza y el menor consumo de combustible conducen a una emisión de CO 2 de aproximadamente la mitad de la asociada con el clínker Portland. Sin embargo, las emisiones de SO 2 suelen ser significativamente mayores.
Los cementos "naturales", que corresponden a ciertos cementos de la era anterior a Portland, se producen mediante la quema de calizas arcillosas a temperaturas moderadas. El nivel de componentes arcillosos en la caliza (alrededor del 30-35%) es tal que se forman grandes cantidades de belita (el mineral de baja resistencia inicial y alta resistencia final presente en el cemento Portland) sin que se formen cantidades excesivas de cal libre. Como ocurre con cualquier material natural, estos cementos tienen propiedades muy variables.
Los cementos geopoliméricos están hechos de mezclas de silicatos de metales alcalinos solubles en agua y polvos minerales de aluminosilicato como cenizas volantes y metacaolín .
Los cementos poliméricos están hechos de sustancias químicas orgánicas que se polimerizan. Los fabricantes suelen utilizar materiales termoendurecibles . Si bien suelen ser significativamente más caros, pueden proporcionar un material impermeable que tiene una resistencia a la tracción útil.
El cemento Sorel es un cemento duro y duradero elaborado mediante la combinación de óxido de magnesio y una solución de cloruro de magnesio.
El cemento de malla de fibra o el hormigón reforzado con fibra es un cemento que está compuesto de materiales fibrosos como fibras sintéticas, fibras de vidrio, fibras naturales y fibras de acero. Este tipo de malla se distribuye uniformemente por todo el hormigón húmedo. El propósito de la malla de fibra es reducir la pérdida de agua del hormigón, así como mejorar su integridad estructural. [48] Cuando se utiliza en yesos, la malla de fibra aumenta la cohesión, la resistencia a la tracción, la resistencia al impacto y reduce la contracción; en última instancia, el objetivo principal de estas propiedades combinadas es reducir el agrietamiento. [49]
Se propone fabricar cemento eléctrico reciclando cemento de desechos de demolición en un horno de arco eléctrico como parte de un proceso de fabricación de acero . El cemento reciclado se utilizará para reemplazar parte o la totalidad de la cal utilizada en la fabricación de acero, lo que dará como resultado un material similar a la escoria que es similar en mineralogía al cemento Portland, eliminando la mayoría de las emisiones de carbono asociadas. [50]
El cemento comienza a fraguar cuando se mezcla con agua, lo que provoca una serie de reacciones químicas de hidratación. Los componentes se hidratan lentamente y los hidratos minerales se solidifican y endurecen. El entrelazamiento de los hidratos le da al cemento su resistencia. Contrariamente a la creencia popular, el cemento hidráulico no fragua al secarse; el curado adecuado requiere mantener el contenido de humedad adecuado necesario para las reacciones de hidratación durante los procesos de fraguado y endurecimiento. Si los cementos hidráulicos se secan durante la fase de curado, el producto resultante puede estar insuficientemente hidratado y debilitado significativamente. Se recomienda una temperatura mínima de 5 °C y no más de 30 °C. [51] El hormigón a edad temprana debe protegerse contra la evaporación del agua debido a la insolación directa, la temperatura elevada, la baja humedad relativa y el viento.
La zona de transición interfacial (ITZ) es una región de la pasta de cemento alrededor de las partículas de agregado en el hormigón . En la zona, se produce una transición gradual en las características microestructurales . [52] Esta zona puede tener hasta 35 micrómetros de ancho. [53] : 351 Otros estudios han demostrado que el ancho puede ser de hasta 50 micrómetros. El contenido promedio de fase de clínker sin reaccionar disminuye y la porosidad disminuye hacia la superficie del agregado. De manera similar, el contenido de etringita aumenta en la ITZ. [53] : 352
Las bolsas de cemento suelen tener impresas advertencias de salud y seguridad porque no solo es altamente alcalino , sino que el proceso de fraguado es exotérmico . Como resultado, el cemento húmedo es fuertemente cáustico (pH = 13,5) y puede causar fácilmente quemaduras graves en la piel si no se lava rápidamente con agua. De manera similar, el polvo de cemento seco en contacto con las membranas mucosas puede causar irritación ocular o respiratoria grave. Algunos oligoelementos, como el cromo, de las impurezas presentes de forma natural en las materias primas utilizadas para producir cemento pueden causar dermatitis alérgica . [54] A menudo se añaden al cemento agentes reductores como el sulfato ferroso (FeSO 4 ) para convertir el cromato hexavalente cancerígeno (CrO 4 2− ) en cromo trivalente (Cr 3+ ), una especie química menos tóxica. Los usuarios de cemento también deben usar guantes y ropa protectora adecuados. [55]
En 2010, la producción mundial de cemento hidráulico fue de 3.300 megatoneladas (3.600 × 10 6 toneladas cortas) . Los tres principales productores fueron China con 1.800, India con 220 y Estados Unidos con 63,5 millones de toneladas, para un total de más de la mitad del total mundial de los tres estados más poblados del mundo. [56]
En cuanto a la capacidad mundial de producción de cemento en 2010, la situación fue similar: los tres principales países (China, India y Estados Unidos) representaron poco menos de la mitad de la capacidad total mundial. [57]
Durante 2011 y 2012, el consumo mundial siguió aumentando, alcanzando 3.585 Mt en 2011 y 3.736 Mt en 2012, mientras que las tasas de crecimiento anual se desaceleraron al 8,3% y al 4,2%, respectivamente.
China, que representa una parte cada vez mayor del consumo mundial de cemento, sigue siendo el principal motor del crecimiento mundial. En 2012, la demanda china alcanzó 2.160 Mt, lo que representa el 58% del consumo mundial. Las tasas de crecimiento anual, que alcanzaron el 16% en 2010, parecen haberse suavizado, desacelerándose hasta el 5-6% en 2011 y 2012, ya que la economía china apunta a una tasa de crecimiento más sostenible .
Fuera de China, el consumo mundial aumentó un 4,4% hasta 1.462 Mt en 2010, un 5% hasta 1.535 Mt en 2011 y, finalmente, un 2,7% hasta 1.576 Mt en 2012.
Irán es actualmente el tercer mayor productor de cemento del mundo y ha aumentado su producción en más del 10% entre 2008 y 2011. [58] Debido al aumento de los costos de la energía en Pakistán y otros importantes países productores de cemento, Irán se encuentra en una posición única como socio comercial, ya que utiliza su propio excedente de petróleo para alimentar plantas de clínker. Actualmente, Irán es uno de los principales productores de Oriente Medio y está aumentando aún más su posición dominante en los mercados locales y en el extranjero. [59]
El desempeño en América del Norte y Europa durante el período 2010-2012 contrastó notablemente con el de China, ya que la crisis financiera mundial se transformó en una crisis de deuda soberana para muchas economías de esta región [ aclaración necesaria ] y recesión. Los niveles de consumo de cemento en esta región cayeron un 1,9% en 2010 a 445 Mt, se recuperaron un 4,9% en 2011 y luego volvieron a caer un 1,1% en 2012.
El desempeño en el resto del mundo, que incluye muchas economías emergentes de Asia, África y América Latina y que representaron una demanda de cemento de alrededor de 1020 Mt en 2010, fue positivo y compensó con creces las caídas en América del Norte y Europa. El crecimiento anual del consumo se registró en 7,4% en 2010, moderándose a 5,1% y 4,3% en 2011 y 2012, respectivamente.
A fines de 2012, la industria mundial del cemento estaba compuesta por 5.673 instalaciones de producción de cemento, incluidas las integradas y de molienda, de las cuales 3.900 estaban ubicadas en China y 1.773 en el resto del mundo.
La capacidad total de cemento a nivel mundial se registró en 5245 Mt en 2012, con 2950 Mt ubicadas en China y 2295 Mt en el resto del mundo. [5]
"Durante los últimos 18 años, China ha producido consistentemente más cemento que cualquier otro país del mundo. [...] (Sin embargo,) la exportación de cemento de China alcanzó su punto máximo en 1994, con 11 millones de toneladas enviadas al exterior, y ha estado en constante declive desde entonces. Sólo se exportaron 5,18 millones de toneladas de China en 2002. Ofrecido a 34 dólares la tonelada, el cemento chino está dejando fuera del mercado a Tailandia, que pide tan sólo 20 dólares por la misma calidad." [60]
En 2006, se estimó que China fabricó 1.235 millones de toneladas de cemento, lo que representaba el 44% de la producción mundial total de cemento. [61] "Se espera que la demanda de cemento en China aumente un 5,4% anual y supere los 1.000 millones de toneladas en 2008, impulsada por un crecimiento lento pero saludable de los gastos de construcción. El cemento consumido en China ascenderá al 44% de la demanda mundial, y China seguirá siendo el mayor consumidor nacional de cemento del mundo por un amplio margen". [62]
En 2010, se consumieron 3.300 millones de toneladas de cemento en todo el mundo, de las cuales 1.800 millones de toneladas procedieron de China. [63]
La fabricación de cemento genera impactos ambientales en todas las etapas del proceso, entre ellos, emisiones de contaminación atmosférica en forma de polvo, gases, ruido y vibraciones durante el funcionamiento de la maquinaria y durante las voladuras en las canteras , y daños al campo debidos a la explotación de canteras. Se utilizan ampliamente equipos para reducir las emisiones de polvo durante la explotación de canteras y la fabricación de cemento, y cada vez se utilizan más equipos para atrapar y separar los gases de escape. La protección ambiental también incluye la reintegración de las canteras al campo después de que hayan sido cerradas, devolviéndolas a la naturaleza o volviéndolas a cultivar.
La concentración de carbono en el cemento varía desde ≈5% en estructuras de cemento hasta ≈8% en el caso de carreteras de cemento. [64] La fabricación de cemento libera CO 2 a la atmósfera tanto directamente cuando se calienta el carbonato de calcio , produciendo cal y dióxido de carbono , [65] [66] y también indirectamente a través del uso de energía si su producción implica la emisión de CO 2 . La industria del cemento produce alrededor del 10% de las emisiones globales de CO 2 de origen humano , de las cuales el 60% proviene del proceso químico y el 40% de la quema de combustible. [67] Un estudio de Chatham House de 2018 estima que los 4 mil millones de toneladas de cemento producidas anualmente representan el 8% de las emisiones mundiales de CO 2. [4]
Por cada 1000 kg de cemento Portland producido se emiten casi 900 kg de CO2 . En la Unión Europea, el consumo específico de energía para la producción de clínker de cemento se ha reducido aproximadamente un 30% desde la década de 1970. Esta reducción en los requisitos de energía primaria equivale aproximadamente a 11 millones de toneladas de carbón por año, con los correspondientes beneficios en la reducción de las emisiones de CO2 . Esto representa aproximadamente el 5% del CO2 antropogénico . [ 68]
La mayoría de las emisiones de dióxido de carbono en la fabricación de cemento Portland (aproximadamente el 60%) se producen a partir de la descomposición química de la piedra caliza en cal, un ingrediente del clínker de cemento Portland. Estas emisiones se pueden reducir disminuyendo el contenido de clínker del cemento. También se pueden reducir mediante métodos de fabricación alternativos, como la molienda conjunta del cemento con arena o con escoria u otros minerales de tipo puzolánico hasta obtener un polvo muy fino. [69]
Para reducir el transporte de materias primas más pesadas y minimizar los costos asociados, es más económico construir plantas de cemento más cerca de las canteras de piedra caliza que de los centros de consumo. [70]
A partir de 2019, se comenzarán a realizar pruebas de captura y almacenamiento de carbono , pero su viabilidad financiera es incierta. [71][actualizar]
Los productos hidratados del cemento Portland, como el hormigón y los morteros, reabsorben lentamente el CO2 atmosférico gaseoso que se ha liberado durante la calcinación en un horno. Este proceso natural, inverso a la calcinación, se denomina carbonatación. [72] Como depende de la difusión del CO2 en la masa del hormigón, su velocidad depende de muchos parámetros, como las condiciones ambientales y la superficie expuesta a la atmósfera. [73] [74] La carbonatación es especialmente significativa en las últimas etapas de la vida del hormigón, después de la demolición y el triturado de los escombros. Se ha estimado que durante todo el ciclo de vida de los productos de cemento, se puede reabsorber casi el 30% del CO2 atmosférico generado por la producción de cemento. [74]
El proceso de carbonatación se considera un mecanismo de degradación del hormigón. Reduce el pH del hormigón, lo que favorece la corrosión del acero de refuerzo. [72] Sin embargo, como el producto de la carbonatación de Ca(OH)2, CaCO3, ocupa un mayor volumen, la porosidad del hormigón se reduce. Esto aumenta la resistencia y la dureza del hormigón. [75]
Existen propuestas para reducir la huella de carbono del cemento hidráulico mediante la adopción de cemento no hidráulico, mortero de cal , para ciertas aplicaciones. Reabsorbe parte del CO2 durante el endurecimiento y tiene un menor requerimiento de energía en la producción que el cemento Portland. [76]
Algunos otros intentos de aumentar la absorción de dióxido de carbono incluyen cementos a base de magnesio ( cemento Sorel ). [77] [78] [79]
En algunas circunstancias, dependiendo principalmente del origen y la composición de las materias primas utilizadas, el proceso de calcinación a alta temperatura de minerales de piedra caliza y arcilla puede liberar en la atmósfera gases y polvo ricos en metales pesados volátiles , por ejemplo , talio , [80] cadmio y mercurio son los más tóxicos. Los metales pesados (Tl, Cd, Hg, ...) y también el selenio se encuentran a menudo como oligoelementos en sulfuros metálicos comunes ( pirita (FeS 2 ), blenda de zinc (ZnS) , galena (PbS), ...) presentes como minerales secundarios en la mayoría de las materias primas. Existen regulaciones ambientales en muchos países para limitar estas emisiones. A partir de 2011 en los Estados Unidos, los hornos de cemento están "legalmente autorizados a bombear más toxinas al aire que los incineradores de residuos peligrosos". [81]
La presencia de metales pesados en el clínker surge tanto de las materias primas naturales como del uso de subproductos reciclados o combustibles alternativos . El alto pH que prevalece en el agua intersticial del cemento (12,5 < pH < 13,5) limita la movilidad de muchos metales pesados al disminuir su solubilidad y aumentar su sorción en las fases minerales del cemento. El níquel , el zinc y el plomo se encuentran comúnmente en el cemento en concentraciones no despreciables. El cromo también puede surgir directamente como impureza natural de las materias primas o como contaminación secundaria de la abrasión de aleaciones de acero al cromo duro utilizadas en los molinos de bolas cuando se muele el clínker. Como el cromato (CrO 4 2− ) es tóxico y puede causar alergias cutáneas graves en concentraciones traza, a veces se reduce a Cr(III) trivalente mediante la adición de sulfato ferroso (FeSO 4 ).
Una planta de cemento consume de 3 a 6 GJ de combustible por tonelada de clínker producido, dependiendo de las materias primas y el proceso utilizado. La mayoría de los hornos de cemento actuales utilizan carbón y coque de petróleo como combustibles primarios, y en menor medida gas natural y fueloil. Los residuos y subproductos seleccionados con valor calorífico recuperable se pueden utilizar como combustibles en un horno de cemento (denominado coprocesamiento ), reemplazando una parte de los combustibles fósiles convencionales , como el carbón, si cumplen especificaciones estrictas. Los residuos y subproductos seleccionados que contienen minerales útiles como calcio, sílice, alúmina y hierro se pueden utilizar como materias primas en el horno, reemplazando materias primas como arcilla, esquisto y piedra caliza. Debido a que algunos materiales tienen tanto contenido mineral útil como valor calorífico recuperable, la distinción entre combustibles alternativos y materias primas no siempre es clara. Por ejemplo, los lodos de depuradora tienen un valor calorífico bajo pero significativo, y se queman para dar cenizas que contienen minerales útiles en la matriz del clínker. [82] Los neumáticos de desecho de automóviles y camiones son útiles en la fabricación de cemento, ya que tienen un alto valor calorífico y el hierro incrustado en los neumáticos es útil como materia prima. [83] : p. 27
El clínker se fabrica calentando las materias primas dentro del quemador principal de un horno a una temperatura de 1.450 °C. La llama alcanza temperaturas de 1.800 °C. El material permanece a 1.200 °C durante 12-15 segundos a 1.800 °C (y/o?) [ aclaración necesaria ] durante 5-8 segundos (también conocido como tiempo de residencia). Estas características de un horno de clínker ofrecen numerosas ventajas y garantizan una destrucción completa de los compuestos orgánicos, una neutralización total de los gases ácidos, óxidos de azufre y cloruro de hidrógeno. Además, las trazas de metales pesados se incrustan en la estructura del clínker y no se producen subproductos, como cenizas o residuos. [84]
La industria del cemento de la UE ya utiliza más del 40% de combustibles derivados de residuos y biomasa para suministrar energía térmica al proceso de fabricación de clínker gris. Aunque la elección de los denominados combustibles alternativos (AF) suele estar determinada por los costes, otros factores están adquiriendo cada vez más importancia. El uso de combustibles alternativos proporciona beneficios tanto a la sociedad como a la empresa: las emisiones de CO2 son inferiores a las de los combustibles fósiles, los residuos se pueden coprocesar de forma eficiente y sostenible y se puede reducir la demanda de determinados materiales vírgenes. Sin embargo, existen grandes diferencias en la proporción de combustibles alternativos utilizados entre los estados miembros de la Unión Europea (UE). Los beneficios sociales podrían mejorar si más estados miembros aumentaran su proporción de combustibles alternativos. El estudio de Ecofys [85] evaluó las barreras y las oportunidades para una mayor adopción de combustibles alternativos en 14 estados miembros de la UE. El estudio de Ecofys concluyó que los factores locales limitan el potencial de mercado en una medida mucho mayor que la viabilidad técnica y económica de la propia industria del cemento.
Las crecientes preocupaciones ambientales y el aumento del costo de los combustibles fósiles han dado como resultado, en muchos países, una fuerte reducción de los recursos necesarios para producir cemento, así como de los efluentes (polvo y gases de escape). [86] El cemento de huella reducida es un material cementante que cumple o supera las capacidades de rendimiento funcional del cemento Portland. Se están desarrollando varias técnicas. Una es el cemento geopolimérico , que incorpora materiales reciclados, reduciendo así el consumo de materias primas, agua y energía. Otro enfoque es reducir o eliminar la producción y liberación de contaminantes dañinos y gases de efecto invernadero, particularmente CO 2 . [87] El reciclaje de cemento viejo en hornos de arco eléctrico es otro enfoque. [88] Además, un equipo de la Universidad de Edimburgo ha desarrollado el proceso 'DUPE' basado en la actividad microbiana de Sporosarcina pasteurii , una bacteria que precipita carbonato de calcio, que, cuando se mezcla con arena y orina , puede producir bloques de mortero con una resistencia a la compresión del 70% de la del hormigón. [89] Una descripción general de los métodos respetuosos con el clima para la producción de cemento se puede encontrar aquí. [90]
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