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Un cemento es un aglutinante , una sustancia química utilizada en la construcción que fragua , endurece y se adhiere a otros materiales para unirlos. El cemento rara vez se usa solo, sino más bien para unir arena y grava ( agregado ). El cemento mezclado con áridos finos produce mortero para mampostería, o con arena y grava , produce hormigón . El hormigón es el material más utilizado que existe y sólo está por 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 , que pueden caracterizarse como hidráulicos o, menos comunes , no hidráulicos , dependiendo de la capacidad del cemento para fraguar en presencia de agua (ver cementos hidráulicos y no hidráulicos). yeso de cal ).
Los cementos hidráulicos (p. ej., cemento Portland ) fraguan y se vuelven adhesivos mediante una reacción química entre los ingredientes secos y el agua. La reacción química da como resultado hidratos minerales que no son muy solubles en agua y, por lo tanto, son bastante duraderos en agua y están a salvo de ataques químicos. Esto permite fraguar en condiciones húmedas o bajo el agua y protege aún más el material endurecido del ataque químico. El proceso químico del cemento hidráulico fue descubierto por los antiguos romanos que utilizaban ceniza volcánica ( puzolana ) con cal añadida (óxido de calcio).
El cemento no hidráulico (menos común) no fragua en condiciones húmedas ni bajo el agua. Más bien, se endurece al secarse y reacciona con el dióxido de carbono del aire. Es resistente al ataque de productos químicos después del fraguado.
La palabra "cemento" se remonta al término romano antiguo opus caementicium , utilizado para describir mampostería que se asemeja al hormigón moderno y que estaba hecha de roca triturada con cal quemada como aglutinante. Las cenizas volcánicas y los suplementos de ladrillo pulverizado que se añadían a la cal quemada, para obtener un conglomerante hidráulico, fueron denominados posteriormente como cemento , cimentum , cäment y cemento . En los tiempos modernos, 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 por 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 CO 2 , [4] lo que incluye el calentamiento de materias primas en un horno de cemento mediante la combustión de combustible y la consiguiente liberación de CO 2 almacenado en el carbonato de calcio (proceso de calcinación). Sus productos hidratados, como el hormigón, reabsorben gradualmente cantidades sustanciales de CO 2 atmosférico (proceso de carbonatación), compensando cerca del 30% de las emisiones iniciales de CO 2 , como sugieren las estimaciones. [6]
Los materiales cementantes 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 bajo el aire.
Con diferencia, el tipo de cemento más común es el cemento hidráulico , que se endurece mediante la hidratación de los minerales del clínker cuando se 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 :
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 clinker a alta temperatura en el horno . La química de estas reacciones no está del todo clara y sigue siendo objeto de investigación. [7]
Primero, la piedra caliza (carbonato de calcio) se quema para eliminar su carbono, produciendo cal (óxido de calcio) en lo que se conoce como reacción de calcinación . Esta única reacción química es una de las principales emisoras 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 cemento.
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 vol. ppm ≃ 0,04 vol. %). El primer óxido de calcio (cal) se produce a partir de carbonato de calcio ( piedra caliza o creta ) mediante calcinación a temperaturas superiores a 825 °C (1517 °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 evapora por completo (este proceso se llama técnicamente fraguado ), comienza la carbonatación:
Esta reacción es lenta porque la presión parcial del 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 llama ciclo de la cal .
Quizás la aparición más temprana de cemento conocida sea de hace doce millones de años. Un depósito de cemento se formó después de una ocurrencia de esquisto bituminoso ubicado adyacente a un lecho de piedra caliza quemado por causas naturales. Estos antiguos depósitos fueron investigados en las décadas de 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 los asirios utilizaban betún 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 quemado (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 pruebas de que los minoicos de Creta utilizaban tiestos 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 los antiguos macedonios , [11] [ 12] y tres siglos después a gran escala por ingenieros romanos . [13] [14] [15]
Hay... una especie de polvo que por causas naturales produce resultados sorprendentes. Se encuentra en las cercanías de Baiae y en el campo perteneciente a las ciudades alrededor del Monte Vesubio . Esta sustancia, mezclada con cal y escombros, no sólo da resistencia a edificios de otras clases, sino que incluso cuando se construyen muelles en el mar, se endurece 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 podría fraguar bajo el agua, aumentando su resistencia a la corrosión como el óxido. [16] El material recibió el nombre de puzolana de la localidad de Pozzuoli , al oeste de Nápoles , de donde se extraía la ceniza volcánica. [17] En ausencia de ceniza puzolánica, los romanos utilizaron ladrillo en polvo o cerámica como sustituto y es posible que hayan utilizado tejas 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 concretos, muchas de las cuales aún se mantienen en pie. [18] [2] El vasto sistema de acueductos romanos también hizo un uso extensivo de 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 trozos de piedra, ladrillos, 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 vivían en una civilización muy avanzada en El Tajín , cerca de la Ciudad de México, en México. Un estudio detallado de la composición del árido y conglomerante muestra que el árido era piedra pómez y el conglomerante era un cemento puzolánico elaborado con ceniza volcánica y cal. [21]
Se desconoce la preservación de este conocimiento 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 áridos con ladrillo o material de revestimiento de piedra se utilizó en el Imperio Romano de Oriente, así como en Occidente hasta el período gótico . La Renania alemana siguió utilizando mortero hidráulico durante toda la Edad Media, disponiendo de depósitos locales de puzolana llamados trass . [20]
Tabby es un material de construcción hecho de cal, arena y conchas de ostras enteras para formar un hormigón. Los españoles lo introdujeron en América en el siglo XVI. [24]
Los conocimientos técnicos para fabricar cemento hidráulico fueron formalizados 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 (1755-1759) en el Canal de la Mancha, ahora conocido como la Torre de Smeaton . Necesitaba un mortero hidráulico que fraguara y desarrollara cierta resistencia en el período de doce horas entre mareas altas sucesivas . Realizó experimentos con combinaciones de diferentes calizas y aditivos incluyendo trass y puzolanas [10] e hizo una exhaustiva investigación de mercado 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 piedra caliza utilizada para su elaboración. Smeaton era ingeniero civil de profesión y no llevó la idea más lejos.
En la costa del Atlántico sur de los Estados Unidos, el gato atigrado , que se alimentaba de los basureros de ostras de las poblaciones nativas americanas anteriores, se utilizó en la construcción de viviendas desde la década de 1730 hasta la de 1860. [24]
Particularmente en Gran Bretaña, 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. Para ello se prefirieron las cales hidráulicas, pero la necesidad de un tiempo de fraguado rápido impulsó el desarrollo de nuevos cementos. El más famoso fue el " cemento romano " de Parker . [25] Esto 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 arcillosos, y que contienen tanto minerales arcillosos como carbonato cálcico . Los nódulos quemados se trituraron hasta obtener un polvo fino. Este producto, convertido en mortero con arena, fragua en 5 a 15 minutos. El éxito del "cemento romano" llevó a otros fabricantes a desarrollar productos rivales quemando cementos de cal hidráulica artificiales 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 inconsciente del trabajo de Smeaton , el mismo principio fue identificado por el francés Louis Vicat 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 fueron publicados 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 varios 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, mortero , estuco y lechadas no especiales , se desarrolló en Inglaterra a mediados del siglo XIX y generalmente se origina a partir de piedra caliza . James Frost produjo lo que llamó "cemento británico" de manera similar aproximadamente 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 hecha con ella tenía un color similar a la prestigiosa piedra de Portland extraída en la isla de Portland , Dorset, Inglaterra. Sin embargo, el cemento de Aspdins 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 rápidamente. Desgastó las piedras de molino , que eran la única tecnología de molienda disponible en la época. Por lo tanto, los costos de fabricación eran considerablemente más altos, pero el producto fraguó razonablemente lentamente y desarrolló resistencia rápidamente, abriendo así un mercado para su uso en concreto. El uso del hormigón en la construcción creció rápidamente a partir de 1850 y pronto se convirtió en el uso dominante del cemento. Así el cemento Portland comenzó a adquirir un papel predominante. Isaac Charles Johnson perfeccionó aún más la producción de cemento meso-Portland (etapa intermedia de desarrollo) y afirmó que era 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 desarrollar la resistencia . Belite desarrolla fuerza lentamente. Debido a que fueron quemados 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 inicial de 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 era 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 reclamado precedencia en esta invención, pero análisis recientes [32] tanto de su hormigón como de su cemento en bruto han demostrado que el producto de William Aspdin fabricado en Northfleet , Kent, era un verdadero cemento a base de alita. Sin embargo, los métodos de Aspdin eran "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 Estados Unidos, el primer uso a gran escala del cemento fue el cemento Rosendale , un cemento natural extraído de un enorme depósito de dolomita descubierto a principios del siglo XIX cerca de Rosendale, Nueva York . El cemento Rosendale era extremadamente popular para los cimientos de edificios ( por ejemplo , la Estatua de la Libertad , el Edificio del Capitolio , el Puente de Brooklyn ) y para revestir 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 escasa resistencia al agua (lixiviación) y sus propiedades corrosivas ( corrosión por picaduras debido a la presencia de aniones cloruro lixiviables y el bajo pH (8,5–9,5) del agua de sus poros) limitaron su uso como cemento reforzado. hormigón para la construcción de edificios. [35]
El siguiente avance en la fabricación de cemento Portland fue la introducción del horno rotatorio . Produjo una mezcla de clinker que era más fuerte, porque se forma más alita (C 3 S) a la temperatura más alta que alcanzó (1450 °C), y más homogénea. Debido a que la materia prima se introduce constantemente en un horno rotatorio, permitió que un proceso de fabricación continuo reemplazara 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 de Union, Nueva Jersey [37]
En Estados Unidos, después de la Primera Guerra Mundial, el largo tiempo de curado (al menos un mes) del cemento Rosendale lo hizo impopular para la construcción de carreteras y puentes, y muchos estados y empresas constructoras recurrieron al cemento Portland. Debido al cambio al cemento Portland, a finales de la década de 1920 sólo había sobrevivido una de las 15 empresas cementeras de Rosendale. 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 empresa había ayudado a construir el acueducto Catskill de la ciudad de Nueva York , quedó impresionado con la durabilidad del cemento Rosendale y ideó una mezcla de cemento 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 una sección experimental de la carretera cerca de New Paltz, Nueva York , utilizando un saco de Rosendale por seis sacos de cemento Portland. Fue un éxito y durante décadas la mezcla de cemento Rosendale-Portland se utilizó en la construcción de carreteras y puentes de hormigón. [33]
Los materiales cementosos se han utilizado como matriz inmovilizadora de residuos nucleares durante más de medio siglo. [38] En muchos países se han desarrollado y desplegado tecnologías de cementación de residuos a escala industrial. Los residuos de cemento requieren un cuidadoso proceso de selección y diseño adaptado a cada tipo específico de residuo para satisfacer los estrictos criterios de aceptación de residuos para el almacenamiento y eliminación a largo plazo. [39]
El desarrollo moderno del cemento hidráulico se inició 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, con diferencia, el tipo de cemento más común en todo el mundo. Este cemento se elabora 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 Forman óxido de calcio o cal viva, que luego se combina químicamente con los otros materiales de la mezcla para formar silicatos de calcio y otros compuestos cementosos. La sustancia dura resultante, llamada "clinker", luego se muele con una pequeña cantidad de yeso ( CaSO 4 ·2H 2 O ) hasta obtener un polvo para hacer cemento Portland común , el tipo de cemento más comúnmente utilizado (a menudo denominado OPC). . El cemento Portland es un ingrediente básico del hormigón , el mortero y la mayoría de las lechadas no especiales . El uso más común del cemento Portland es la fabricación de hormigón. El cemento Portland puede ser gris o blanco .
Las mezclas de cemento Portland a menudo están disponibles como mezclas entre tierra de los productores de cemento, pero a menudo también se mezclan formulaciones similares a partir de los componentes molidos en la planta mezcladora de concreto.
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 granulada de alto horno molida , siendo el resto clinker Portland y un poco de yeso. Todas las composiciones producen una alta resistencia última, pero a medida que aumenta el contenido de escoria, la resistencia inicial se reduce, mientras que la resistencia a los sulfatos aumenta y la evolución de calor disminuye. Se utiliza como alternativa económica a los cementos resistentes al sulfato Portland y de baja temperatura.
El cemento Portland 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 máxima. Debido a que la adición de cenizas volantes permite un menor contenido de agua en el concreto, también se puede mantener la resistencia inicial. Cuando se dispone de cenizas volantes baratas y de buena calidad, ésta puede ser una alternativa económica al cemento Portland común. [43]
El cemento puzolánico Portland incluye el 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 los países donde hay cenizas volcánicas disponibles (p. ej., Italia, Chile, México, Filipinas), estos cementos suelen ser la forma más común de uso. Las relaciones máximas de reemplazo se definen generalmente como para el cemento Portland de cenizas volantes.
Cemento Portland de microsílice . 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 suele añadir al cemento Portland en la hormigonera. [44]
Los cementos de mampostería se utilizan para preparar morteros y estucos de albañilería , y no deben usarse en concreto. Por lo general, son formulaciones patentadas complejas que contienen clinker Portland y una serie de otros ingredientes que pueden incluir piedra caliza, cal hidratada, incorporadores de aire, retardadores, impermeabilizantes y colorantes. Están formulados para producir morteros trabajables que permiten un trabajo de albañilería rápido y consistente. Las variaciones sutiles del cemento para mampostería en América del Norte son los cementos plásticos y los cementos de estuco. Están diseñados para producir una unión controlada con bloques de mampostería.
Los cementos expansivos contienen, además de clínker Portland, clínker expansivo (generalmente clínker de sulfoaluminato) y están diseñados para compensar los efectos de la contracción por secado que normalmente se encuentran en los cementos hidráulicos. Este cemento puede fabricar hormigón para losas de piso (hasta 60 m cuadrados) sin juntas de contracción.
Los cementos mezclados blancos se pueden fabricar utilizando clinker blanco (que contiene poco o nada de hierro) y materiales suplementarios blancos como el metacaolín de alta pureza . Los cementos coloreados tienen 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 finamente son cementos mezclados con arena o con escorias u otros minerales tipo puzolana que se muelen juntos de forma extremadamente fina. Estos cementos pueden tener las mismas características físicas que el cemento normal pero con un 50% menos de cemento, sobre todo porque hay más superficie para la reacción química. Incluso con una molienda intensiva, pueden utilizar hasta un 50% menos de energía (y, por tanto, menos emisiones de carbono) para fabricar que los cementos Portland comunes. [45]
Los cementos puzolánico-cal son mezclas de puzolana molida y cal . Estos son los cementos que usaban los romanos y están presentes en estructuras romanas supervivientes como el Panteón de Roma. Desarrollan fuerza lentamente, pero su fuerza máxima puede ser muy alta. Los productos de hidratación que producen 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 solos, sino que se "activan" añadiendo álcalis, siendo la forma más económica de utilizar cal. Son similares a los cementos de cal puzolana en sus propiedades. Sólo la escoria granulada (es decir, 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 clinker Portland o cal como activador. Producen resistencia mediante la formación de etringita , con un crecimiento de resistencia similar al de un cemento Portland lento. Presentan buena resistencia a 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 CaAl 2 O 4 (CaO · Al 2 O 3 o CA en notación química del cemento , CCN) y mayenita Ca 12 Al 14 O 33 (12 CaO · 7 Al 2 O 3 , o C 12 A 7 en CCN). La fuerza se forma por hidratación a hidratos de aluminato de calcio. Están bien adaptados para su uso en hormigones refractarios (resistentes a altas temperaturas), por ejemplo, para revestimientos de hornos.
Los cementos de sulfoaluminato de calcio se elaboran a partir de clinkers que incluyen ye'elimita (Ca 4 (AlO 2 ) 6 SO 4 o C 4 A 3 S en la notación química 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) ajustando la disponibilidad de iones calcio y sulfato. Su uso como alternativa de bajo consumo energético al cemento Portland ha sido pionero en China, donde se producen varios millones de toneladas al año. [46] [47] Los requisitos de energía son menores debido a las temperaturas más bajas del horno requeridas para la reacción y a la menor cantidad de piedra caliza (que debe ser descarbonatada endotérmicamente) en la mezcla. Además, el menor contenido de piedra caliza y el menor consumo de combustible provocan unas emisiones de CO 2 de aproximadamente la mitad de las asociadas con el clínker de Portland. Sin embargo, las emisiones de SO 2 suelen ser significativamente mayores.
Los cementos "naturales" , correspondientes a ciertos cementos de la era anterior a Portland, se producen quemando calizas arcillosas a temperaturas moderadas. El nivel de componentes arcillosos en la piedra caliza (alrededor del 30-35%) es tal que se forman grandes cantidades de belita (el mineral de baja resistencia inicial y alta resistencia tardía del 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 geopolímeros se elaboran a partir 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 polimerizan. Los productores suelen utilizar materiales termoestables . Si bien suelen ser significativamente más caros, pueden proporcionar un material resistente al agua que tiene una resistencia a la tracción útil.
El cemento Sorel es un cemento duro y duradero elaborado combinando 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 se compone 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 concreto y mejorar su integridad estructural. [48] Cuando se utiliza en yesos, la malla de fibra aumenta la cohesividad, 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]
El cemento comienza a fraguar cuando se mezcla con agua, lo que provoca una serie de reacciones químicas de hidratación. Los constituyentes se hidratan lentamente y los hidratos minerales se solidifican y endurecen. El entrelazamiento de los hidratos le da al cemento su fuerza. Contrariamente a la creencia popular, el cemento hidráulico no fragua por secado; un 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 debilitarse significativamente. Se recomienda una temperatura mínima de 5 °C y no superior a 30 °C. [50] El hormigón a una 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 concreto . En la zona se produce una transición gradual en las características microestructurales . [51] Esta zona puede tener hasta 35 micrómetros de ancho. [52] : 351 Otros estudios han demostrado que el ancho puede ser de hasta 50 micrómetros. El contenido promedio de fase de clinker sin reaccionar disminuye y la porosidad disminuye hacia la superficie del agregado. De manera similar, el contenido de etringita aumenta en ITZ. [52] : 352
Las bolsas de cemento habitualmente tienen impresas advertencias de salud y seguridad porque no sólo el cemento 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. Del mismo modo, el polvo de cemento seco en contacto con las membranas mucosas puede provocar irritación ocular o respiratoria grave. Algunos oligoelementos, como el cromo, procedentes de impurezas presentes de forma natural en las materias primas utilizadas para producir el cemento, pueden provocar dermatitis alérgica . [53] Agentes reductores como el sulfato ferroso (FeSO 4 ) a menudo se agregan al cemento 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. [54]
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. [55]
En cuanto a la capacidad mundial para producir cemento en 2010, la situación era similar: los tres principales estados (China, India y Estados Unidos) representaban poco menos de la mitad de la capacidad total mundial. [56]
Durante 2011 y 2012, el consumo mundial siguió aumentando, llegando a 3.585 Mt en 2011 y 3.736 Mt en 2012, mientras que las tasas de crecimiento anual disminuyeron al 8,3% y 4,2%, respectivamente.
China, que representa una proporción cada vez mayor del consumo mundial de cemento, sigue siendo el principal motor del crecimiento mundial. En 2012, la demanda china se registró en 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 al 5-6% en 2011 y 2012, a medida que la economía de 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 ahora el tercer mayor productor de cemento del mundo y ha aumentado su producción en más del 10% entre 2008 y 2011. [57] 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 un socio comercial, utilizando su propio excedente de petróleo para alimentar plantas de clinker. Irán, ahora uno de los principales productores de Medio Oriente, está aumentando aún más su posición dominante en los mercados locales y en el extranjero. [58]
El desempeño de América del Norte y Europa durante el período 2010-2012 contrastó sorprendentemente con el de China, a medida que la crisis financiera global evolucionó hacia una crisis de deuda soberana para muchas economías de esta región [ se necesita aclaración ] y una 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 representó una demanda de cemento de alrededor de 1.020 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 un 7,4% en 2010, moderándose al 5,1% y 4,3% en 2011 y 2012, respectivamente.
A finales de 2012, la industria cementera mundial constaba de 5.673 instalaciones de producción de cemento, tanto integradas como 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 constantemente más cemento que cualquier otro país del mundo. [...] (Sin embargo,) las exportaciones de cemento de China alcanzaron su punto máximo en 1994 con 11 millones de toneladas enviadas y han estado en constante declive desde entonces. "Sólo se exportaron 5,18 millones de toneladas fuera de China en 2002. Ofrecido a 34 dólares la tonelada, el cemento chino se está cotizando a sí mismo fuera del mercado, ya que Tailandia está pidiendo tan sólo 20 dólares por la misma calidad." [59]
En 2006, se estimó que China fabricó 1.235 millones de toneladas de cemento, lo que representó el 44% de la producción mundial total de cemento. [60] "Se espera que la demanda de cemento en China aumente un 5,4% anual y supere los mil millones de toneladas en 2008, impulsada por un crecimiento lento pero saludable en los gastos de construcción. El cemento consumido en China representará el 44% de la demanda mundial, y China seguir siendo por un amplio margen el mayor consumidor nacional de cemento del mundo". [61]
En 2010, se consumieron en todo el mundo 3.300 millones de toneladas de cemento. De esto, China representó 1.800 millones de toneladas. [62]
La fabricación de cemento genera impactos ambientales en todas las etapas del proceso. Estos incluyen las emisiones de contaminación atmosférica en forma de polvo, gases, ruido y vibraciones cuando se opera maquinaria y durante las voladuras en canteras , y los daños al campo causados por las canteras. Se utilizan ampliamente equipos para reducir las emisiones de polvo durante la extracción y la fabricación de cemento, y cada vez se utilizan más equipos para atrapar y separar los gases de escape. La protección del medio ambiente también incluye la reintegración al campo de las canteras después de su cierre, devolviéndolas a la naturaleza o volviéndolas a cultivar.
La concentración de carbono en el cemento oscila entre ≈5% en estructuras de cemento y ≈8% en el caso de carreteras de cemento. [63] La fabricación de cemento libera CO 2 a la atmósfera tanto directamente cuando se calienta carbonato cálcico , produciendo cal y dióxido de carbono , [64] [65] como también indirectamente mediante el uso de energía si su producción implica la emisión de CO 2 . La industria del cemento produce alrededor del 10% de las emisiones mundiales de CO2 provocadas por el hombre , de las cuales el 60% proviene del proceso químico y el 40% de la quema de combustible. [66] Un estudio de Chatham House de 2018 estima que los 4 mil millones de toneladas de cemento producidos anualmente representan el 8% de las emisiones mundiales de CO 2 . [4]
Por cada 1.000 kg de cemento Portland producido se emiten casi 900 kg de CO 2 . En la Unión Europea, el consumo específico de energía para la producción de clinker de cemento se ha reducido aproximadamente un 30% desde los años 1970. Esta reducción de las necesidades de energía primaria equivale aproximadamente a 11 millones de toneladas de carbón al año, con los correspondientes beneficios en la reducción de las emisiones de CO 2 . Esto representa aproximadamente el 5% del CO 2 antropogénico . [67]
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 clinker del cemento Portland. Estas emisiones pueden reducirse reduciendo el contenido de clinker del cemento. También se pueden reducir mediante métodos de fabricación alternativos, como moler cemento con arena o escoria u otros minerales tipo puzolana hasta obtener un polvo muy fino. [68]
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. [69]
A partir de 2019, la captura y almacenamiento de carbono está a punto de probarse, pero su viabilidad financiera es incierta. [70][update]
Los productos hidratados del cemento Portland, como el hormigón y los morteros, reabsorben lentamente el gas CO2 atmosférico, que se libera durante la calcinación en un horno. Este proceso natural, inverso a la calcinación, se llama carbonatación. [71] Como depende de la difusión de CO2 en la mayor parte del hormigón, su velocidad depende de muchos parámetros, como las condiciones ambientales y la superficie expuesta a la atmósfera. [72] [73] La carbonatación es particularmente significativa en las últimas etapas de la vida del hormigón, después de la demolición y trituración de los escombros. Se estimó 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. [73]
El proceso de carbonatación se considera un mecanismo de degradación del hormigón. Reduce el pH del hormigón que promueve la corrosión del acero de refuerzo. [71] Sin embargo, a medida que 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 dureza del hormigón. [74]
Existen propuestas para reducir la huella de carbono del cemento hidráulico mediante la adopción de cemento no hidráulico, mortero de cal , para determinadas aplicaciones. Reabsorbe parte del CO 2 durante el endurecimiento y requiere menos energía en su producción que el cemento Portland. [75]
Algunos otros intentos de aumentar la absorción de dióxido de carbono incluyen cementos a base de magnesio ( cemento Sorel ). [76] [77] [78]
En algunas circunstancias, principalmente dependiendo del origen y la composición de las materias primas utilizadas, el proceso de calcinación a alta temperatura de minerales calizos y arcillosos puede liberar a la atmósfera gases y polvos ricos en metales pesados volátiles , por ejemplo talio , [79] cadmio. y el 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. En muchos países existen regulaciones ambientales para limitar estas emisiones. A partir de 2011, en los Estados Unidos, los hornos de cemento "tienen legalmente permiso para bombear más toxinas al aire que los incineradores de desechos peligrosos". [80]
La presencia de metales pesados en el clinker surge tanto de las materias primas naturales como del uso de subproductos reciclados o combustibles alternativos . El alto pH que prevalece en el agua de los poros 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 habitualmente en el cemento en concentraciones no despreciables. El cromo también puede surgir directamente como impureza natural de las materias primas o como contaminación secundaria por la abrasión de las aleaciones de acero con cromo duro utilizadas en los molinos de bolas cuando se muele el clinker. Como el cromato (CrO 4 2− ) es tóxico y puede causar alergias cutáneas graves en concentraciones mínimas, 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 clinker producida, dependiendo de las materias primas y del proceso utilizado. Actualmente, la mayoría de los hornos de cemento utilizan carbón y coque de petróleo como combustibles primarios y, en menor medida, gas natural y fueloil. Los residuos y subproductos seleccionados con poder calorífico recuperable pueden utilizarse como combustibles en un horno de cemento (lo que se conoce como coprocesamiento ), reemplazando una parte de los combustibles fósiles convencionales , como el carbón, si cumplen con especificaciones estrictas. Los desechos 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 contenido mineral útil y poder calorífico recuperable, la distinción entre combustibles alternativos y materias primas no siempre es clara. Por ejemplo, los lodos de depuradora tienen un poder calorífico bajo pero significativo y se queman para producir cenizas que contienen minerales útiles en la matriz del clinker. [81] Los neumáticos de desecho de automóviles y camiones son útiles en la fabricación de cemento ya que tienen un alto poder calorífico y el hierro incrustado en los neumáticos es útil como materia prima. [82] : pág. 27
El clinker se fabrica calentando 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 1200 °C durante 12 a 15 segundos a 1800 °C (y/o?) [ se necesita aclaración ] durante 5 a 8 segundos (también conocido como tiempo de residencia). Estas características de un horno de clinker ofrecen numerosas ventajas y aseguran una destrucción completa de los compuestos orgánicos, una neutralización total de los gases ácidos, los óxidos de azufre y el cloruro de hidrógeno. Además, en la estructura del clinker quedan incrustadas trazas de metales pesados y no se producen subproductos como cenizas o residuos. [83]
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 llamados combustibles alternativos (AF) suele depender de los costos, otros factores están adquiriendo mayor importancia. El uso de combustibles alternativos aporta beneficios tanto para la sociedad como para la empresa: las emisiones de CO 2 son menores que con los combustibles fósiles, los residuos se pueden coprocesar de forma eficiente y sostenible y se puede reducir la demanda de determinadas materias 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 mejorarse si más estados miembros aumentaran su proporción de combustibles alternativos. El estudio de Ecofys [84] evaluó las barreras y oportunidades para una mayor adopción de combustibles alternativos en 14 estados miembros de la UE. El estudio de Ecofys encontró que los factores locales limitan el potencial del mercado en mucha mayor medida que la viabilidad técnica y económica de la propia industria del cemento.
Las crecientes preocupaciones medioambientales y el creciente coste de los combustibles fósiles han dado lugar, en muchos países, a una fuerte reducción de los recursos necesarios para producir cemento, así como de los efluentes (polvo y gases de escape). [85] El cemento de huella reducida es un material cementoso que cumple o excede las capacidades de desempeño funcional del cemento Portland. Se están desarrollando varias técnicas. Uno es el cemento geopolímero , 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 . [86] Reciclar cemento viejo en hornos de arco eléctrico es otro enfoque. [87] Además, un equipo de la Universidad de Edimburgo ha desarrollado el proceso 'DUPE' basado en la actividad microbiana de Sporosarcina pasturii , una bacteria que precipita carbonato de calcio, que, cuando se mezcla con arena y orina , puede producir bloques de mortero con un efecto compresivo. Resistencia 70% de la del hormigón. [88] Aquí puede encontrar una descripción general de los métodos respetuosos con el clima para la producción de cemento. [89]
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