cubanos en la producción de cementos ternarios base
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, Junio, 2019
Departamento Departamento de Ingeniería Civil
Título del trabajo: Influencia de los clínkeres
cubanos en la producción de cementos ternarios
base clínker – arcilla calcinada – caliza LC3.
Autor: Liseidy Carvajal Martín
Tutores: Ing. Jorge Enrique Suárez Martínez
Dr. José Fernando Martirena Hernández
Title: Influence of Cuban clinkers in the production of ternary
cements based on clinker - calcined clay – limestone LC3.
Author: Liseidy Carvajal Martín
Thesis Director: Ing. Jorge Enrique Suárez Martínez
Dr. José Fernando Martirena Hernández
, June, 2019
Academic Department of Civil Engineering
Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de
Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui
Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la
mencionada casa de altos estudios.
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I
PENSAMIENTO
"La ciencia puede divertirnos y fascinarnos, pero es la ingeniería la que
cambia el mundo"
Isaac Asimov
II
DEDICATORIA
A mi mamá por ser tan especial en mi vida, por su amor, dedicación y
su enorme esfuerzo y sacrificio para ayudarme a cumplir mi sueño.
A mi papá porque lo quiero con todo mi corazón.
A mis hermanos, por su cariño y preocupación.
A toda mi familia, por estar siempre a mi lado en los buenos y malos
momentos de la vida.
A todos mis amigos, esos que siempre están sin importar el tiempo ni la
distancia.
III
AGRADECIMIENTOS
A mis padres porque sin ellos no fuera posible este logro en mi vida.
A toda mi familia por creer siempre en mí.
A mis amigos por hacer de estos 5 años los mejores de mi vida.
A Noelvis (chicho) por toda su paciencia y su ayuda incondicional para
que yo cumpliera mi sueño.
A Jorgito, a María Luisa, Maurén, Gladis y demás personas que me
han brindado su ayuda en el Laboratorio de la Fábrica de Cemento
Siguaney.
A Ribarta y Karina, por toda su ayuda con los ensayos en la
Universidad a pesar de su poco tiempo disponible.
A los trabajadores del Laboratorio de la Fábrica de Cemento Cienfuegos
S.A. por toda su ayuda en la realización de los ensayos.
Para todas aquellas personas que estuvieron a mi lado ayudándome y
apoyándome,
MUCHAS GRACIAS!!!.
IV
RESUMEN
La industria del cemento contribuye de forma significativa al progreso de la humanidad, hoy
enfocada en reducir la carga contaminante al planeta, promueve la fabricación de los
cementos de bajo carbono. El presente trabajo evalúa la utilización de los diferentes
clínkeres en la producción de cementos ternarios base clínker – arcillas calcinadas – calizas
(LC3). Para ello se prepararon 2 tipos de cementos: Portland y LC3: cemento de bajo
carbono cuya composición es 50% clínker más yeso, arcilla calcinada y caliza. Para la
formulación de dichos cementos se tomaron muestras de los diferentes clínkeres
producidos en el país. Entre las materias primas utilizadas se encuentran el yeso y la caliza,
que fueron sometidos a un proceso de reducción de tamaño de partículas, con una
trituradora de mandíbulas, y el LC2 (adición mineral compuesta por arcilla calcinada y
caliza), que fue tomado de la prueba industrial realizada en la Fábrica de Cemento Siguaney
entre diciembre de 2018 y enero de 2019. El cemento fue preparado en un molino vibratorio
de cilindros. Las evaluaciones de los cementos obtenidos se realizaron a través de distintos
ensayos como Finura, Calorimetría Isotérmica, Blaine y Resistencia Mecánica en morteros
normalizados de CP (clínker + yeso) y LC3 (50% CP + 50% LC2). El mejor resultado de
resistencia mecánica a los 28 días fue del cemento P-35 alcanzando una resistencia de
62MPa aproximadamente, producido con el clínker de Siguaney, mientras que el LC3
producido con ese mismo clínker tuvo una resistencia de solo 39MPa.
Palabras clave: Clínker, Cemento Portland, Cemento LC3, Resistencia.
V
ABSTRACT
The cement industry contributes significantly to the progress of humanity, today, focused on
reducing the pollution load on the planet, promotes the manufacture of low carbon cements.
This work evaluates the use of different clinkers in the production of ternary base clinker
cements - calcined clays - limestone (LC3). For this, 2 types of cement were prepared:
Portland and LC3: low carbon cement whose composition is 50% clinker plus gypsum,
calcined clay and limestone. For the formulation of said cements, samples of the different
clinkers produced in the country were taken. Among the raw materials used are gypsum and
limestone, which were subjected to a process of particle size reduction, with a jaw crusher,
and LC2 (mineral addition composed of calcined clay and limestone), which was taken from
the industrial test realized at the Siguaney Cement Factory between December of 2018 and
January of 2019. The cement was prepared in a vibratory roller mill. The evaluations of the
cements obtained were made through different tests such as Fineness, Isothermal
Calorimetry, Blaine and Mechanical Resistance in standardized PC mortars (clinker +
gypsum) and LC3 (50% PC + 50% LC2). The best result for mechanical resistance at 28
days was of the P-35 cement, reaching a resistance of 62MPa approximately, produced with
the Siguaney clinker, while the LC3 produced with that same clinker had a resistance of only
39MPa.
Keywords: Clinker, Portland Cement, LC3 Cement, Resistance.
ÍNDICE
RESUMEN ........................................................................................................................ IV
ABSTRACT ....................................................................................................................... V
INTRODUCCIÓN: .............................................................................................................. 1
CAPÍTULO I: CARACTERÍSTICAS DE LOS CLÍNKER Y SU INFLUENCIA EN LA
PRODUCCIÓN DE CEMENTOS ....................................................................................... 7
1.1 Producción de cementos. Generalidades ............................................................ 7
1.2 Clínker. Generalidades ........................................................................................ 8
1.2.1 Composición del clínker ................................................................................ 9
1.2.2 Formación del clínker ................................................................................. 12
1.3 Producción de clínker ........................................................................................ 12
1.3.1 Tipos de clínker. Usos ................................................................................ 12
1.3.2 Proceso de clinkerización ........................................................................... 13
1.3.3 Reacciones en la formación del clínker....................................................... 14
1.3.4 Producción de clínker en Cuba ................................................................... 16
1.3.5 Problemas medioambientales en la producción de clínker .......................... 19
1.4 Cemento ternario ............................................................................................... 19
1.4.1 Sistema ternario clínker – arcilla calcinada – caliza .................................... 19
1.4.2 Hidratación del cemento ............................................................................. 20
1.4.3 Hidratación de pastas de cemento Portland – arcilla calcinada .................. 23
1.4.4 Actividad puzolánica ................................................................................... 23
1.5 Cemento de bajo carbono LC3 .......................................................................... 24
1.5.1 Reducción de la huella ambiental en el proceso de producción .................. 25
1.5.2 Características que confiere el clínker a los cementos ............................... 25
1.5.3 Ventajas de su uso ..................................................................................... 27
1.6 Análisis de la normativa de cementos en Cuba ................................................. 27
1.7 Conclusiones parciales del capítulo ................................................................... 28
CAPÍTULO II: FORMULACIÓN Y PRODUCCIÓN DE CEMENTOS CON LOS CLÍNKER
CUBANOS ....................................................................................................................... 29
2.1 Caracterización de las materias primas empleadas ........................................... 29
2.1.1 Clínker ........................................................................................................ 29
2.1.2 Yeso ........................................................................................................... 30
2.1.3 Caliza ......................................................................................................... 30
2.1.4 Adición mineral “LC2” ................................................................................. 31
2.1.5 Arena normalizada...................................................................................... 32
2.1.6 Agua ........................................................................................................... 33
2.2 Diseño experimental de la investigación ............................................................ 33
2.2.1 Variables independientes ........................................................................... 34
2.2.2 Variables dependientes .............................................................................. 34
2.2.3 Parámetros de estado ................................................................................ 34
2.3 Métodos para la caracterización de clínker y LC2 .............................................. 35
2.3.1 Fluorescencia de Rayos X (FRX) ................................................................ 35
2.4 Formulación y producción de las mezclas ......................................................... 36
2.4.1 Proceso de molienda .................................................................................. 37
2.4.2 Dosificación de mezclas ............................................................................. 37
2.5 Descripción de métodos y ensayos ................................................................... 38
2.5.1 Finura ......................................................................................................... 38
2.5.2 Finura por Blaine ........................................................................................ 39
2.5.3 Densidad o Peso Específico ....................................................................... 40
2.5.4 Calorimetría Isotérmica ............................................................................... 41
2.5.5 Resistencia Mecánica ................................................................................. 42
2.6 Conclusiones parciales del capítulo ................................................................... 46
CAPÍTULO III: ESTUDIO, ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS................. 47
3.1 Caracterización de los clínker cubanos .............................................................. 47
3.1.1 Composición de fase potencial ................................................................... 47
3.2 Requisitos para cementos según las normas cubanas ...................................... 48
3.3 Resultados de los ensayos ................................................................................ 49
3.3.1 Finura por Tamizado ................................................................................... 49
3.3.2 Densidad .................................................................................................... 50
3.3.3 Finura por Blaine ........................................................................................ 50
3.3.4 Calorimetría ................................................................................................ 51
3.3.5 Resistencia (3, 7 y 28 días) ........................................................................ 52
3.4 Conclusiones parciales del capítulo ................................................................... 54
CONCLUSIONES GENERALES ..................................................................................... 55
RECOMENDACIONES .................................................................................................... 56
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................ 57
ANEXOS .......................................................................................................................... 59
1
INTRODUCCIÓN:
La historia de los conglomerantes y cementos en la construcción se remonta a los tiempos del
antiguo Egipto, seguido por griegos y romanos. En general, todos los materiales entonces
empleados eran productos naturales que, en algún caso, se sometían a tratamientos térmicos.
La palabra cemento, se aplica a todo tipo de producto o mezcla que presenta propiedades
adhesivas y entendemos por conglomerante un compuesto de una o varias sustancias
capaces de endurecer al reaccionar con otros productos (agua en el caso de los cementos
portland), a corto o largo plazo. (Sanjuán Barbudo and Chinchón Yepes, 2014)
El nombre cemento como material de construcción tiene su origen en los romanos, que
llamaron opus caementum a una obra de mampostería de piedra y un conglomerante de cal
viva. Más tarde, se nombró como cementum, cimentum, caement y cement a los
conglomerantes hidráulicos que se obtenían al mezclar adiciones tales como ladrillos
cerámicos triturados o toba volcánica con la cal viva. (Sanjuán Barbudo and Chinchón Yepes,
2014)
El cemento Portland se encuentra entre los materiales más empleados y con mayor nivel de
producción a escala mundial, es uno de los principales contribuidores al desarrollo de la
humanidad y es considerado como el material más usado en la industria de la construcción.
(Martínez, 2014)
La producción mundial de cemento, en las condiciones actuales, refleja la necesidad de prestar
estricta atención a la durabilidad de las estructuras de hormigón, por la reducida vida útil que
algunas presentan en el mundo contemporáneo. Debido a la agresividad ambiental a que
están expuestas las mismas se deterioran las propiedades que hacen del hormigón el segundo
producto más utilizado por los humanos. La escasez de materiales durables tiene
consecuencias ambientales serias.
El incrementar la vida de servicio de los productos es una solución que buscan los
especialistas para preservar los recursos naturales de la tierra. Las estructuras de hormigón
normalmente se diseñan con una vida útil por proyecto de 50 años, pero la experiencia ha
demostrado que en ambientes urbanos o marinos algunas estructuras se deterioran a los 20
años. En la actualidad se ha sugerido que la vida útil de diseño de las estructuras se
incremente hasta 100 o 120 años, y para puentes urbanos, al menos a 150 años de vida de
servicio. (Freyermuth, 2001)
2
Al año la producción mundial de hormigón es aproximadamente de 1600 millones de
toneladas, que contabiliza aproximadamente el 7% de la carga global del dióxido de carbono
en la atmósfera. El cemento Portland además de ser uno de los materiales más empleados en
la construcción, es también el responsable de una gran cantidad de gases de invernadero. La
producción de una tonelada de cemento requiere valores elevados de energía y la manufactura
del clínker de cemento Portland descarga aproximadamente una tonelada de dióxido de
carbono a la atmósfera. (Metha, 2001)
El impacto ambiental de la industria del hormigón puede reducirse si se incrementa la
productividad del recurso mediante la conservación de materiales y energía para elaborar el
hormigón. La búsqueda de nuevas alternativas para la producción de cemento juega un papel
importante en la reducción del consumo de energía y emisiones de gases de invernadero, para
una industria de hormigón sustentable.
Un nuevo tipo de cemento que se basa en una mezcla de piedra caliza y arcilla calcinada está
ganando aceptación en los países en desarrollo y se espera que sea comercialmente
producido el próximo año en América del Sur. Es tolerante de impurezas en sus componentes,
competitivo en rendimiento y economía comparada con el cemento Portland común y puede
reducir las emisiones de dióxido de carbono hasta en un 30%.
Cuba desarrolla la introducción del cemento de arcilla calcinada (LC3) que se estima duplicará
la producción de este producto e incrementará la vida útil de las obras de construcción,
priorizadas hoy para su desarrollo económico y social, prácticamente sin inversiones. Como
signarte del Tratado de Paris, sobre cambio climático, reducirá las emisiones de CO2 en un
millón de toneladas al año (solo en este sector) de los seis millones comprometidos. (Martirena,
2017)
El LC3 cuesta hasta un 25% menos que el Portland al reducir el contenido de clínker al 50% o
menos. Las arcillas componen el 30% de la mezcla, la piedra caliza el 15% y el yeso el resto.
Ese proceso produce 30% menos CO2 que el cemento Portland ordinario. Las características
de rendimiento de LC3 son similares a los convencionales Portland y en algunos aspectos,
como resistencia a la reacción de cloruro y álcali-sílice, lo supera. (Tomas, 2018). El uso de
LC3 es una eficaz, atractiva y sostenible alternativa para que la industria cementera reduzca
sus costos y los impactos en el medio ambiente.
La producción mundial de cemento se estima crezca hasta el 2050 en un 50% y en Cuba debe
superar el 250%, así lo estima el doctor Martirena (2018). Por estas razones la Facultad de
Construcciones de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas y el Centro de
Investigación y Desarrollo de Estructuras y Materiales (CIDEM) realizan investigaciones en el
3
uso e influencia de los clínkeres cubanos en las propiedades de los cementos ternarios: clínker
– arcilla calcinada – caliza (LC3). Teniendo en cuenta la situación problémica anteriormente
planteada se ha propuesto el siguiente problema científico para la presente investigación:
¿Cómo influyen los tipos de clínkeres en el comportamiento físico-mecánico de los cementos
ternarios base clínker – arcillas calcinadas – calizas (LC3)?
Objeto de estudio
Cementos ternarios base clínker – arcillas calcinadas – calizas (LC3).
Campo de acción
Los clínkeres cubanos en la producción de cementos ternarios base clínker – arcillas
calcinadas – calizas (LC3).
Objetivo general
Evaluar el comportamiento físico-mecánico de los cementos ternarios base clínker – arcillas
calcinadas – calizas (LC3) fabricados con los clínkeres cubanos.
Objetivos Específicos
Definir las características de los clínkeres y su influencia en la producción de cementos.
Caracterizar química y mineralógicamente los clínkeres cubanos actualmente en
producción y la adición mineral base arcillas calcinadas – calizas (LC2).
Determinar el comportamiento físico mecánico de los cementos ternarios base clínker
– arcillas calcinadas – calizas (LC3) elaborados con diferentes clínker.
Tareas científicas a desarrollar
Búsqueda y revisión de la literatura científica referente al empleo del clínker en la
fabricación de cementos.
Revisión bibliográfica sobre el clínker y los cementos ternarios base clínker – arcillas
calcinadas – calizas (LC3) a partir de las normas internacionales y cubanas que rigen
la producción de clínker y cemento.
Selección, toma y preparación de las muestras de clínker en las fábricas de cemento
de Nuevitas, Siguaney, Cienfuegos SA y Mariel SA.
Caracterización química y mineralógica del LC2: FRX.
Caracterización química y mineralógica de los clínkeres cubanos: FRX, EEA (álcalis).
Molienda del clínker con el yeso y la caliza (P-35).
Mezclado LC3 con 50% de CP y 50% de LC2.
Ensayos de Blaine, Finura, Calorimetría Isotérmica y Resistencia Mecánica.
Hipótesis de investigación
4
Si se utiliza arcilla calcinada – caliza (LC2) en la producción de cementos ternarios con los
diferentes clínker cubanos, se podrá obtener propiedades en los mismos que cumplan con la
normativa cubana, disminuyendo el consumo de hidrocarburo y las emisiones de gases de
invernadero.
Novedad científica:
Con el LC3 se alcanza hasta un 50% de sustitución de clínker, por eso en este trabajo se
realizará la caracterización de los clínkeres cubanos, para conocer su influencia en el
comportamiento físico mecánico de los cementos ternarios base clínker – arcillas calcinadas
– calizas (LC3).
Aportes del trabajo:
El aporte práctico se sustenta en la evaluación del comportamiento físico mecánico de los
cementos ternarios base clínker – arcillas calcinadas – calizas (LC3) a partir de la
caracterización de los clínkeres cubanos.
El aporte teórico está dado por el estado del arte sobre las características de los clínkeres y
su influencia en la producción de cementos ternarios base clínker – arcillas calcinadas – calizas
(LC3).
Población y muestras
Población: Cementos ternarios producidos base clínker – arcillas calcinadas – calizas (LC3).
Muestra: Clínker cubanos utilizados para la producción de cementos ternarios base clínker –
arcillas calcinadas – calizas (LC3).
Métodos teóricos:
- Histórico – lógico: se utiliza para conocer sobre el desarrollo del objeto de estudio y su
campo de acción.
- Analítico – sintético: permite penetrar en la esencia del objeto de estudio mediante el
proceso de fabricación de cemento con el uso e influencia de los clínkeres cubanos.
- Inductivo – deductivo: se utiliza para el estudio de lo general a lo particular y para hacer
inferencias correspondientes desde las concepciones de la estrategia diseñada, lo cual
posibilita dar respuestas a las interrogantes planteadas.
Métodos empíricos:
- Observación científica: se aplica la observación participante con el objetivo de recopilar
información necesaria para conocer el estado que presenta la producción de cemento.
- Análisis documental: se analizan documentos legales y normativos de carácter estatal e
institucional relacionados con la producción de cemento.
5
- Encuesta: permite con su aplicación en sujetos que laboran con la muestra propuesta
constatar el estado inicial de la producción de cemento. También se emplea en el
desarrollo del experimento puro y para el criterio de expertos.
- Criterio de expertos: se aplica para valorar los contenidos y la calidad de la estrategia
propuesta. Se utilizará el método Delphy para evaluar los criterios aportados por los
expertos.
- Experimentación: se utiliza como método (en su modalidad de experimento puro) para
evaluar la contribución de la estrategia elaborada.
Métodos estadísticos
Se emplean métodos de la Estadística descriptiva e inferencial en las diferentes etapas de la
investigación. En lo fundamental para la definición del problema, el muestreo probabilístico; la
búsqueda y la obtención de la información; en el diseño y la validación de los instrumentos de
recolección que permiten realizar el diagnóstico inicial; en la elaboración del plan de tabulación,
análisis, organización y; además, en el procesamiento estadístico de la información acopiada.
También se utilizan en el diseño del experimento; para la sistematización y la organización de
los datos mediante técnicas univariadas; en el cálculo de medidas de resumen; análisis de los
resultados; confección de la escala y encuesta al acopiar los criterios de los expertos y en su
consolidado.
Estructura de la investigación
Resumen.
Introducción.
Capítulo I: Características de los clínkeres y su influencia en la producción de cementos.
Incluye los fundamentos teóricos del proceso de fabricación del clínker y la influencia de los
mismos en las propiedades de los cementos.
Capítulo II: Formulación y producción de cementos con los clínkeres cubanos.
Contiene el diseño y los resultados de la caracterización química y mineralógica de los
clínkeres cubanos para la elaboración de cementos, Portland y ternarios base clínker – arcilla
calcinada – caliza (LC3). Se expone el diseño de experimentos y se explica la molienda de las
materias primas y los ensayos realizados.
Capítulo III: Estudio, análisis y discusión de los resultados.
Se exponen los resultados obtenidos en los ensayos, comparándose las propiedades físico –
mecánicas de los distintos cementos (P-35 y LC3) producidos con los diferentes tipos de clínker
con lo establecido en las normas NC 95 y NC 1208: 2017.
Conclusiones.
6
Recomendaciones.
Bibliografía.
Anexos.
7
CAPÍTULO I: CARACTERÍSTICAS DE LOS CLÍNKERES Y SU
INFLUENCIA EN LA PRODUCCIÓN DE CEMENTOS
1.1 Producción de cementos. Generalidades
Los cementos naturales son los obtenidos por la calcinación de rocas calizas arcillosas. Fueron
descubiertos por J. Parker en 1796 conociéndolos también como cementos romanos ya que
podían endurecer debajo del agua análogamente a los aglomerantes empleados por los
romanos en sus construcciones. En 1824 ocurrió un importante descubrimiento en el área de
los materiales de construcción, el albañil inglés Joseph Aspedin inventó lo que se conoce como
cemento Portland, nombre que se le dio debido a que al secar tomaba la forma de una piedra
extraída de las canteras de Portland, Inglaterra. En 1838, este cemento se utilizó por primera
vez en una construcción de importancia, uno de los túneles construidos bajo el río Támesis en
Londres. David Saylor, un técnico norteamericano, fue el primero en fabricar cemento en
América, así nacía en 1850 la industria cementera en Norteamérica. (Pérez, 2000)
El uso del cemento Portland continuó extendiéndose hasta convertirse en el material de
construcción más utilizado en el mundo, debido a que está directamente relacionado con el
aumento de la población mundial y con el desarrollo de los países.
El proceso de obtención del cemento Portland se encuentra montado sobre la base de la
explotación intensiva de recursos no renovables (materias primas y combustibles), y se emiten
a través del mismo significativos volúmenes de gases de efecto invernadero, como el CO2,
sobre todo en los procesos asociados a la producción de clínker, el principal componente del
CPO. (Martirena, 2003)
La fabricación del cemento es un proceso industrial que se realiza en instalaciones de gran
escala. Básicamente, la fabricación de cemento consiste en:
1. Obtención, almacenamiento y preparación de materias primas (caliza, marga, arcilla)
que son finamente molidas para obtener el crudo.
2. Almacenamiento y preparación de combustibles.
3. Cocción del crudo en un horno rotatorio hasta temperaturas de 1.450°C (2.000°C de
temperatura de llama) para la obtención de clínker de cemento.
4. Molienda conjunta del clínker con otros componentes (cenizas volantes, escoria,
puzolana natural, yeso, etc.) para obtener el cemento.
5. Almacenamiento, ensacado y expedición de cemento. (Sanjuán Barbudo and Chinchón
Yepes, 2014)
8
Figura 1: Esquema general de la fabricación del cemento
La emisión de CO2 ocurre a través de la descarbonatación de las materias primas utilizadas
en el proceso de manufactura del cemento y el uso de combustibles fósiles como fuentes de
energía directa e indirecta. Sobre la base del modelo estándar de producción de cemento
usado actualmente y las tecnologías disponibles, (Damtoft, 2008, Gartner, 2004, Habert, 2010)
se estima que por cada tonelada de cemento producida se emite aproximadamente una
tonelada de CO2, (Domoterra, 2013) si en vez de cemento convencional, producimos cementos
especiales podemos llegar a reducir la cifra de emisiones de CO2 a 0,4 toneladas por tonelada
producida. La industria del cemento es responsable de cerca del 5% del total de las emisiones
de CO2 generadas por el hombre. (Domoterra, 2013)
Hoy en día, los cementos con adiciones constituyen una importantísima opción para mitigar el
impacto ambiental de la producción de los CPO al reducir los consumos energéticos en su
producción y con ello las emisiones de CO2 a la atmósfera, además de permitir el consumo de
los desechos de otros procesos industriales potencialmente contaminantes al medio ambiente,
como son las cenizas volantes y escorias de alto horno. (Santamaría, 2013)
Pero como la demanda de cemento es cada vez mayor y las materias primas necesarias
comienzan a escasear se hace preciso la implementación de cementos con altos niveles de
sustitución de clínker (Martirena, 2014), esta sustitución se ejecutará sobre la base de los
materiales cementicios suplementarios (MCS).
1.2 Clínker. Generalidades
El clínker es una piedra artificial fabricada a partir de las materias primas: caliza, marga y arcilla
principalmente, mediante un proceso térmico a alta temperatura.
9
El vocablo "clínker" da nombre al producto intermedio en la fabricación del cemento, principal
componente de este último.
Se trata del producto obtenido por calcinación a 1500ºC de una mezcla de caliza y arcilla. Este
producto producía al deslizarse por los hornos rotatorios un ruido "clink, clink,..." del que toma
el nombre onomatopéyico de "clínker". (Aragó, 2007 – 2008)
Figura 2: Clínker
1.2.1 Composición del clínker
Los minerales del clínker no son una combinación pura, sino fases de cristales mixtos que
contienen los componentes de otras fases, en pequeñas cantidades, en enlace cristalino, así
como también las restantes sustancias químicas que acompañan al clínker, incapaces de
formar fases autónomas.
El clínker consta esencialmente de cuatro fases cristalinas: alita, belita, aluminato cálcico y
ferritoaluminato cálcico, íntimamente asociadas entre sí. Contiene además poros y, en la
mayor parte de los casos, cal libre (CaO sin combinar), así como magnesia libre (periclasa).
(Luque)
Alita: Silicato Tricálcico (C3S)
Su color es blanco y su proporción media en el clínker es del 60%.
El silicato tricálcico puro no se encuentra como tal en el clínker, sino que incluye otros óxidos
ajenos a su composición, como por ejemplo, hasta 2% en masa de MgO, junto con Al2O3,
Fe2O3, TiO2 y otros. Las cantidades de estos óxidos presentes en el silicato tricálcico dependen
particularmente de la composición del clínker, de la temperatura de cocción y del proceso de
enfriamiento. La inclusión de iones extraños en la alita modifica las propiedades de ésta; por
ejemplo aumenta en general su resistencia. Enfriado lentamente por debajo de 1250ºC, el
silicato tricálcico se puede descomponer en CaO y C2S, especialmente si contiene iones Fe2+
como consecuencia de una cocción en condiciones reductoras. La alita es cuantitativamente
el constituyente más importante del cemento portland, pero también lo es desde el punto de
10
vista de las propiedades del cemento y en particular de las más importantes de ellas: el
desarrollo de las resistencias. Para que se forme alita en el proceso de cocción es preciso que
tenga lugar la sinterización. (Luque)
Belita: Silicato Bicálcico (C2S)
Su color es blanco y su proporción media en el clínker es del 15%.
Tampoco se encuentra silicato dicálcico (C2S) puro en el clínker, ya que asimismo contiene
otros óxidos incorporados.
La belita se halla principalmente en estado sólido a la temperatura de clinkerización, y sólo en
pequeñas proporciones en los clínkeres con alto standard de cal. El desarrollo de su
resistencia es lento, si bien a largo plazo llega a alcanzar resistencias tan grandes por lo menos
como las de la alita. La modificación de la belita, que es la que predomina en el clínker, se
puede transformar a la temperatura ambiente en una modificación más estable, pero que
apenas es hidráulica (inversión). En esta transformación se produce un aumento de volumen
del 10% aproximadamente, el cual es la causa de la desintegración del clínker. No obstante
esta inversión se puede evitar, se puede estabilizar la belita mediante la inclusión de iones
extraños dentro de su red, así como por enfriamiento rápido.
Con la tecnología actual de la fabricación del cemento no cabe esperar la desintegración del
clínker.
Las fases alumínicas y ferríticas microcristalinas son consideradas como “masa intersticial”.
Ambas se forman a partir de la fase líquida o fundida del clínker, en el enfriamiento de éste.
(Luque)
Aluminato Tricálcico (C3A)
Su color es blanco y su proporción media en el clínker es del 11%.
También la fase alumínica (C3A en su estado puro) contiene iones extraños. En ella es posible
la inclusión de álcalis (Na2O, K2O) en proporciones que exceden del 5% en masa.
La fase alumínica posee una capacidad de reacción muy alta, la cual se incrementa aún más
por la inclusión de álcalis. A fin de “frenar” la reacción de la fase alumínica al comienzo de la
hidratación, es preciso añadir a cada cemento algún sulfato (por ejemplo, yeso), para retardar
el proceso del fraguado.
Junto con la alita y la belita, la fase alumínica puede contribuir a aumentar ligeramente la
resistencia del cemento a corto plazo (a causa de su elevado calor de hidratación). No
obstante, sus propiedades hidráulicas intrínsecas son escasas. (Luque)
Ferrito Aluminato Tetracálcico (C4AF)
Es la fase que da color al clínker, ya que el C4AF es pardo, o verde grisáceo si contiene MgO.
11
No posee una composición química constante, sino que se trata de una disolución sólida de
aluminato cálcico (C2A) y ferrito cálcico (C2F). Contiene también óxidos extraños. (Aragó, 2007
– 2008)
Según sea la disponibilidad de hierro o de aluminio, respectivamente, los miembros de la
disolución sólida se sitúan más del lado rico en aluminio. La composición de esta fase
frecuentemente corresponde más o menos al compuesto C4AF, en el caso del clínker de
cemento Portland. La fórmula general representativa de la serie es C2(A,F), o C2A pF1-p. La
fase ferrítica contiene igualmente iones extraños incluidos. Es la fase que comunica su color
al cemento. La fase ferrítica reacciona muy lentamente y carece de importancia significativa
directa a efectos de las propiedades del cemento. (Luque)
o Otras Fases del clínker:
CaO y MgO libres.
En el clínker suele haber CaO libre en proporción menor o igual al 2%. Esto es debido a una
mala preparación de los crudos (muy gruesos o no homogéneos) en la fabricación del
clínker; o a una cocción insuficiente (que no permite su combinación total con otros óxidos);
o a un enfriamiento lento del clínker (que posibilita la descomposición parcial del C3S).
La cal libre es indeseable ya que puede causar expansiones en los morteros y hormigones
endurecidos, debido a la siguiente reacción que transcurre con un aumento de volumen de
aproximadamente un 100%:
CaO + H2O ➜Ca(OH) 2 (Ecuación 1)
C+H ➜ CH (Ecuación 2)
(Aragó, 2007 – 2008)
Los clínkeres ricos en MgO pueden contener MgO libre (periclasa). Dado que en las otras
fases del clínker puede haber combinado aproximadamente de un 2.0 a un 2.5% de MgO en
disolución sólida. El máximo total permisible de MgO es del 5% en masa. La proporción de
MgO combinado con otras fases depende de la composición química del clínker y de las
condiciones de su fabricación. La periclasa es indeseable, puesto que, en proporciones altas,
puede producir una expansión semejante a la cal (expansión por magnesia). Esta expansión
es más maligna que la de la cal, pues a veces sus daños no son detectados sino al cabo de
tres años.
La periclasa microcristalina y uniformemente repartida produce expansiones menores que las
causadas por cantidades iguales de la misma cuando se presenta en forma macrocristalina y
localmente acumulada en “nidos”. Esto mismo es igualmente válido por lo que respecta a la
12
cal libre y a la expansión que produce. En raros casos se pueden encontrar también en el
clínker, en muy pequeñas cantidades, sulfatos alcalinos y fase vítrea.
Los álcalis están combinados solamente en las fases del clínker si la cantidad de SO3 no es
suficiente para la combinación total de los álcalis como sulfatos alcalinos. Pasan a todas las
fases del clínker; sin embargo, lo hacen con preferencia en las fases de aluminatos. (Luque)
1.2.2 Formación del clínker
Después de la extracción, trituración y homogenización de las materias primas, el proceso de
fabricación de cemento comienza por la calcinación del carbonato cálcico y continúa con la
cocción del óxido de calcio resultante junto con sílice, alúmina y óxido ferroso a elevada
temperatura para obtener clínker.
La cocción del clínker se realiza en un horno rotativo que puede formar parte de un sistema
de hornos horizontales de proceso húmedo o seco; de un sistema de hornos con precalentador
de parrilla (Lepol) de proceso semihúmedo o semiseco; de un sistema de hornos con
precalentador de suspensión de proceso seco; o de un sistema de hornos con precalentador
o precalcinador. Se considera que la mejor técnica disponible para la producción de clínker de
cemento es el horno de proceso seco con precalentamiento y precalcinación por suspensión
en varias fases. El balance térmico asociado a esta MTD es de 3.000 MJ por tonelada de
clínker. (Resumen BREF cemento y cal)
1.3 Producción de clínker
En la actualidad es necesario fabricar clínker de cemento Portland con unas características
que permitan obtener cementos de altas prestaciones, en particular de elevada resistencia.
Cementos de elevada resistencia inicial se obtienen a costa de aumentar en gran medida su
finura; esto implica grandes consumos energéticos en la sección de molienda y elevadas
inversiones para modernizar instalaciones ineficaces en este tipo de molienda tan severa. Otra
alternativa a estas exigencias es fabricar un clínker con potencial para desarrollar las
resistencias requeridas. Un clínker capaz de desarrollar mayores resistencias obliga a elevar
el consumo de energía; consecuentemente, el fabricante de cemento debe de saber cuál es
el crudo que producirá un clínker de máxima resistencia y al mínimo coste de energía. (Vega
and Rovirosa, 1994)
1.3.1 Tipos de clínker. Usos
- Clínker blanco
13
El cemento portland blanco se obtiene a partir de la producción del horno de cemento de un
clínker de color blanco, y luego en la molienda de este clínker, se le adiciona yeso. El clínker
blanco se obtiene de una mezcla finamente dividida de piedra caliza y arcillas blancas de tipo
caolín. La obtención del color blanco del cemento se consigue a través de una selección de
sus materias primas libres de materiales que le pudieran dar una tonalidad y color al cemento;
y de un permanente cuidado en todas las etapas de fabricación, especialmente la molienda,
para preservar su blancura. Se utiliza para Hormigones arquitectónicos y para prefabricados.
Es la clase de cemento más recomendable para la construcción sostenible, a causa de su
mayor pureza. (Construpedia)
- Clínker gris
El Cemento Portland es el producto artificial resultante de calcinar hasta un principio de fusión
mezclas rigurosamente homogéneas de Caliza y Arcilla, obteniéndose un cuerpo llamado
clínker, constituido por silicatos y aluminatos anhidros, el cual hay que pulverizar junto con el
Yeso, en proporción menor al 3%, para retrasar su fraguado. Se emplean en Hormigones de
alta resistencia, en la elaboración de Elementos Prefabricados y en algunas obras especiales.
(Construpedia)
Según el tipo de cemento se agregan al clínker, durante la molienda, compuestos minerales
(calcáreos, puzolanas, escorias de alto horno, cenizas volantes, etc.) para formar los llamados
cementos Portland con adiciones. (Palenzuela, 2011)
1.3.2 Proceso de clinkerización
Para fabricar clínker de cemento a partir de material crudo es preciso calcinar éste hasta un a
temperatura de 1450ºC, alcanzando así la sinterización o clinkerización. El proceso de cocción
exige una atmósfera oxidante dentro del horno, ya que en caso contrario se obtiene un clínker
de color pardo (en vez de verde grisáceo) y el cemento resultante presenta un fraguado más
rápido y resistencias más bajas. Durante el calentamiento del crudo, y particularmente a la
temperatura de cocción (clinkerización) tiene ya lugar importantes procesos fisicoquímicos
tales como la deshidratación de los minerales de la arcilla, la descomposición de los
carbonatos (descarbonatación o expulsión del CO2, corrientemente llamada calcinación),
reacciones en estado sólido y reacciones con participación de una fase líquida o fundida, así
como cristalizaciones. Estos procesos se ven afectados sustancialmente, no sólo por factores
químicos del crudo (como su composición química), sino también por factores mineralógicos
(su composición mineralógica) y por factores físicos (finura, tamaño de sus partículas),
14
homogeneidad y otros. El transcurso completo de estas reacciones endotérmicas juega un
papel decisivo en la calidad del cemento resultante. (Luque)
La primera formación de fase líquida (fundida), la cual indica el comienzo de la clinkerización,
tiene lugar a temperaturas comprendidas entre 1260 y 1310ºC, aproximadamente. Al aumentar
la temperatura aumenta también la fase líquida o fundida, alcanzando así alrededor del 20 al
30% en masa a 1450ºC, dependiendo de la composición química del material (al crecer el
módulo silícico disminuye la proporción de fase líquida). A estas temperaturas es ya posible la
formación del silicato tricálcico (C3S), constituyente principal del clínker de cemento portland.
(Luque)
Al comienzo de la clinkerización existen aún cantidades considerables de CaO sin combinar,
junto con silicato bicálcico (2CaO∙SiO2 = C2S). En presencia de la fase líquida se disuelven el
CaO y el C2S, facilitándose dentro de ella la difusión de los reactantes y formándose el silicato
tricálcico (C3S). (Luque)
El objeto principal del proceso de clinkerización, la formación del valioso silicato tricálcico,
necesita la utilización de altas y costosas temperaturas de clinkerización. Al mismo tiempo, la
fase líquida activa también otras reacciones, como por ejemplo las que afectan a las partículas
relativamente más gruesas de cuarzo o de caliza. (Luque)
Los silicatos tricálcico y bicálcico (C3S y C2S) se encuentran como fases sólidas en el fundido.
A temperaturas superiores a 1450ºC éste contiene la totalidad de Al2O3 y Fe2O3 del clínker en
formación, y su composición (%) en masa es, aproximadamente, la siguiente: 56% CaO, 7%
SiO2, 23% Al2O3 y 14% Fe2O3. A la temperatura de clinkerización se establece un estado de
equilibrio. La viscosidad de la fase líquida es tanto menor cuanto menor es el módulo
alumínico, férrico o de fundentes, es decir, cuanto mayor es el contenido de Fe2O3. Los
constituyentes secundarios o minoritarios influyen también en la viscosidad de la fase líquida,
aumentándola, por ejemplo, los álcalis; y disminuyéndola, por el contrario, el SO3 y el MgO.
(Luque)
Por último el clínker se enfría rápidamente a la salida del horno, mediante aire que a
continuación se utiliza para la combustión, y se almacena para su molienda posterior con otros
materiales denominados adiciones, cuya función consiste en conferirle propiedades especiales
al cemento o actuar como regulador de fraguado. (Luque)
1.3.3 Reacciones en la formación del clínker
Las principales reacciones químicas que intervienen en el proceso de producción de clínker
dan lugar a la formación de minerales sintéticos diferentes: fases de silicatos, aluminatos y
15
ferritos de calcio que le darán las propiedades hidráulicas al cemento. Las reacciones
principales que se producen durante la etapa de clinkerización son:
Pérdida del agua libre de los crudos (humedad). T < 200°C
Pérdida del agua absorbida en las arcillas, incluso el agua interlaminar. 100 ≤ T ≤ 400ºC
A temperaturas superiores (400 – 750ºC) se pierde también el agua combinada químicamente,
en forma de OH, como sucede en la deshidratación de la caolinita:
Si4Al4O10(OH)8 ➜ 2[Al2O3.2SiO2] + 4H2O (Ecuación 3)
(Caolinita) (Metacaolinita)
Descomposición de los carbonatos. (550 ≤ T ≤ 600°C).
CaCO3 ➜ CaO + CO2 (g) (Ecuación 4)
La cal viva liberada reaccionará con los óxidos de Si, Fe y Al.
Reacciones entre fases sólidas.
A temperaturas entre 500 y 600°C empiezan a producirse reacciones entre los productos
sólidos de la descomposición de la caliza y la arcilla. Se forman preferentemente compuestos
de bajo contenido de cal: CA y C2S.
CaO + Al2O3 ➜ CaO.Al2O3 (Ecuación 5)
C+A ➜ CA (Aluminato cálcico) (Ecuación 6)
2CaO + SiO2 ➜ 2CaO.SiO2 (Ecuación 7)
2C + S ➜ C2S (Silicato bicálcico) (Ecuación 8)
A partir de 800°C ya se forman C3A y C4AF.
CaO.Al2O3 + 2CaO ➜ 3CaO.Al2O3 (Ecuación 9)
CA + 2C ➜ C3A (Aluminato tricálcico) (Ecuación 10)
CaO.Al2O3 + 3CaO + Fe2O3 ➜ 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (Ecuación 11)
CA + 3C + F ➜ C4AF (Ferrito aluminato tetracálcico) (Ecuación 12)
Reacciones entre fases líquidas.
Entre 1260 y 1310ºC comienza a formarse la fase líquida, es decir comienza el proceso de
sinterización o fusión parcial. La proporción de fase líquida aumenta al incrementarse la
temperatura, alcanzando un 20 – 30% a 1450ºC, aunque esto también depende de la
composición química de la masa.
A estas temperaturas ya se puede formar el C3S.
CaO + 2CaO.SiO2 ↔ 3CaO.SiO2 (Ecuación 13)
C + C2S ↔ C3S (Silicato tricálcico) (Ecuación 14)
16
Reacciones durante el enfriamiento.
Si el proceso de enfriamiento es lento podrían invertirse los equilibrios establecidos a
temperaturas elevadas, por ejemplo se podría descomponer el C3S, hecho que sería
desfavorable.
Por el contrario en un enfriamiento rápido se produce una "congelación" del equilibrio, de
forma que la composición del clínker enfriado sería la misma que la que existía a la
temperatura de sinterización. (Aragó, 2007 – 2008)
1.3.4 Producción de clínker en Cuba
Cuba fue el primer país que produjo cemento en América Latina (1895). En 1958 se alcanzó
un récord de producción de 4,27 millones de toneladas. En 1960 el gobierno cubano
nacionalizó todas las fábricas de cemento y pasaron a control estatal. La inversión del gobierno
cubano en las plantas de cemento permitió incrementar el procesamiento de roca desde 2,5
millones de metros cúbicos en 1960 a 47,6 millones en 1980. (Televisión Perlavisión, 2017)
Actualmente Cuba cuenta con 6 fábricas de cemento: Nuevitas, Siguaney, Cienfuegos SA,
Mariel SA, Artemisa y Santiago de Cuba. De estas solo en las cuatro primeras se produce
clínker.
- Nuevitas
Inaugurada en 1968 con el nombre “26 de Julio”. Se mantenía por la labor del Movimiento de
Innovadores y Racionalizadores, técnicos, especialistas y obreros, con una capacidad
instalada disponible de 200 mil toneladas. (Pujol, 2015) Actualmente, esta fábrica se encuentra
en proceso de reconstrucción, con el objetivo de rescatar sus plenas capacidades de
elaboración de cemento gris.
Figura 3: Fábrica de cemento de Nuevitas
17
- Siguaney
Inaugurada en 1971 con el nombre “Siguaney”. Entre sus hitos se encuentra la primicia de la
introducción del crudo nacional en la quema de hornos para la fabricación del clínker por
primera vez en Cuba y obtención de cemento blanco nacional, cuya producción es exclusiva
de este sitio en la isla. (Rodríguez, 9 de marzo, 2017)
Esta tuvo varios logros en cuanto a la producción de cemento blanco y el cemento hidrófobo
para la impermeabilización de techos. También se producen cemento Portland y cementos
especiales.
Figura 4: Fábrica de cemento de Siguaney
- Cienfuegos S.A.
Inaugurada en 1980 con el nombre “Karl Marx”, es una sociedad mixta, la mayor fábrica de su
tipo en Cuba y una de las de más capacidad en Latinoamérica. Cuenta con cuatro empresas
en su entorno: la Comercial del Cemento, Asistencia y Servicios, Mantenimiento al Cemento y
Productora Cemento S.A. Fue construida con tecnología alemana y tiene una capacidad para
producir 1,5 millones de toneladas de clínker y cemento al año. En el año 2008 finalizó con la
producción de un millón dieciséis mil toneladas de clínker (material que unido al yeso conforma
el cemento) un récord desde la fundación de la primera línea de la planta en 1980. Hoy
mantiene los estándares de calidad de sus productos, con lo cual se reafirma como entidad
líder entre sus homólogas del país. (Televisión Perlavisión, 2017)
18
Figura 5: Fábrica de cemento de Cienfuegos
- Mariel S.A.
Inaugurada en 1918 con el nombre “René Arcay”, en la actualidad “Cementos Curazao S.A.”,
con una capacidad productiva de 137 mil toneladas anuales, ha transitado desde entonces un
camino de constante perfeccionamiento. A fines de 1974, por contrato con una empresa
española, se invirtió en una planta completa, de proceso seco, dos líneas de producción y una
capacidad de un millón 480 mil toneladas al año. El primer horno entró en producción el 24 de
diciembre de 1979 y el segundo el 2 de diciembre de 1981. La primera empresa mixta del país,
la segunda más moderna en la actualidad, y en el momento de su fundación una de las
pioneras en el uso de alta tecnología. Productora de cemento y clínker, Cementos Curazao,
empresa mixta que funciona desde 1994 y destina su producción, en lo fundamental, a la
exportación. (Tamayo, 2014)
Figura 6: Fábrica de cemento de Mariel
19
1.3.5 Problemas medioambientales en la producción de clínker
La cocción de clínker es la parte más importante del proceso en lo que respecta a los
principales problemas medioambientales derivados de la fabricación de cemento: el consumo
de energía y las emisiones atmosféricas. Los principales contaminantes que se emiten al
medio ambiente son los óxidos de nitrógeno (NOX), el dióxido de azufre (SO2) y el polvo. Las
técnicas de reducción de polvo llevan aplicándose más de 50 años y la reducción del SO2 es
un problema específico de determinadas plantas, mientras que la reducción de NOX es una
cuestión relativamente nueva en la industria cementera.
Muchas fábricas cementeras han adoptado medidas primarias generales, como la
optimización del control de procesos, el uso de modernos sistemas de alimentación
gravimétrica de combustible sólido, la optimización de las conexiones de refrigeración y la
aplicación de sistemas de gestión energética. Estas medidas suelen tener por objeto mejorar
la calidad del clínker y reducir los costes de producción, pero también reducen el consumo de
energía y las emisiones atmosféricas. (Resumen BREF cemento y cal)
1.4 Cemento ternario
El cemento ternario es un cemento hidráulico compuesto por una mezcla homogénea y
uniforme producida por la intermolienda o la mezcla o por la combinación de intermolienda y
mezcla de clínker de cemento Portland o cemento Portland con:
1) dos puzolanas diferentes
2) una escoria y una puzolana
3) una puzolana y una piedra caliza o
4) una escoria y una piedra caliza.
Tiene un contenido máximo de puzolana de un 40% por masa de cemento mezclado, un
contenido máximo de piedra caliza de un 15% por masa de cemento mezclado, y el contenido
total de puzolana, piedra caliza y escoria será menor que el 70% por masa de cemento
mezclado. (NC 1208, 2017)
1.4.1 Sistema ternario clínker – arcilla calcinada – caliza
La acción sinérgica entre la alúmina presente en las arcillas calcinadas, los carbonatos de la
caliza y la portlandita producida por la hidratación del cemento Portland, propicia la formación
adicional de productos de reacción – como los carboaluminatos y ettringita – que permite
sustituir hasta un 60% del contenido de clínker en masa sin comprometer el comportamiento
del material. Los cementos ternarios son fabricados mediante el régimen de co – molienda de
20
los materiales, el cual es comparado con la molienda separada y posterior mezclado de las
materias primas.
Los cementos ternarios con 45% de sustitución del clínker han exhibido una resistencia a la
penetración de cloruros 10 veces superior al Cemento Portland. Ello es atribuido a su
estructura de poros más refinada y mayor tortuosidad. (Shi, 2001)
1.4.2 Hidratación del cemento
El proceso de hidratación se inicia a partir del contacto entre el cemento y el agua, alcanzando
en menos de una hora el “Inicio de fraguado” del cemento, que más tarde se transformará en
un sólido endurecido. La pasta de cemento finalmente endurecida está compuesta por
productos hidratados de diversos componentes, denominados genéricamente de gel, cristales
de Ca(OH)2, ettringita, algunos compuestos menores, cemento no hidratado, y espacios
residuales llenos de agua en pasta fresca.
La hidratación del cemento involucra dos mecanismos diferentes: por disolución y por
topoquímica. En el primero, los compuestos reactivos se disuelven y producen iones en
solución, los cuales se combinan y dan lugar a la precipitación de compuestos hidratados; este
proceso es predominante en las primeras edades de la hidratación. En el segundo mecanismo,
las reacciones tienen lugar directamente sobre las superficies de los componentes sin que los
mismos se encuentren en disolución; a este tipo de reacción se la conoce bajo el nombre de
reacción en estado sólido o topoquímica y ocurre fundamentalmente en las edades más
avanzadas de la hidratación. (Poon et al., 2001)
La alita (forma impura del C3S) se presenta como cristales incoloros y opacos de sección
prismática con contornos rectangulares o hexagonales de unos 50μm aproximadamente.
Es una fase hidráulicamente activa con una elevada velocidad de hidratación que
determina la alta resistencia inicial que presenta el hormigón. La reacción del C3S es
exotérmica y la cantidad de calor liberado total está en el orden de 500 J/g.
La fase belita (forma impura de C2S) presenta cristales con mayor brillo que los del C3S
los que poseen un tamaño en el orden de 30μm. Son de forma redondeada y estriados,
presentándose frecuentemente agrupados en zonas, o de a pares o dispersos. Presenta
una velocidad de reacción más lenta liberando menor calor total (250 J/g) que el
correspondiente al C3S, por lo que confiere al cemento una alta resistencia a largo plazo.
El C3A reacciona inmediatamente con el agua y produce el fraguado (pasaje de estado
fluido a sólido de la pasta) instantáneo de la pasta con una elevada liberación de calor
(850 J/g). El color del cemento se debe a esta fase, puesto que es gris oscuro con forma
21
rectangular, prismática y amorfa. El C3A produce una pequeña contribución en la
resistencia hasta los 28 días, posteriormente, su aporte se halla incierto.
La fase C4AF reacciona rápidamente con el agua y produce el fraguado en pocos minutos.
El calor liberado durante la hidratación es del orden de 420 J/g. Está compuesto por
cristales prismáticos bien formados, con tonos pardos y de gran poder reflector, siendo
capaz de reflejar los cristales de la fase de C3A. (Mora, 2017)
Figura 7: Desarrollo de la hidratación del cemento.
Con el paso del tiempo la tendencia es que los productos hidratados continúen llenando los
poros, y que la porosidad, a su vez, disminuya hasta alcanzar valores que van a depender de
valores intrínsecos del material y del medio exterior que influyen en el grado de hidratación,
como: la composición del cemento, la finura, la relación agua-cemento, la compactación, el
curado en las primeras edades, la edad, y la existencia de adiciones minerales. (Palenzuela,
2011)
La hidratación del Cemento Portland ocurre mediante un gran número de reacciones
simultáneas, por lo que se asume que este proceso en cada compuesto es independiente de
los otros, para facilitar su comprensión.
Los silicatos de calcio al ser mezclados con agua se hidrolizan y producen un silicato de calcio
hidratado y CH o portlandita proveniente del óxido de calcio liberado. Las reacciones que se
producen pueden representarse aproximadamente por las ecuaciones:
C3S + 6H ➜ C3S2H3 + 3CH (Ecuación 15)
(Alita + Agua → Silicato de calcio hidratado+ Hidróxido de calcio)
2C2S + 4H ➜ C3S2H3 + CH (Ecuación 16)
22
(Belita +Agua → Silicato de calcio hidratado + Hidróxido de calcio)
Los silicatos de calcio hidratados son los responsables de las resistencias mecánicas y demás
propiedades deseables de la matriz cementicia, mientras que el CH formado en estas
reacciones, provee una alta alcalinidad a la pasta, con un valor de pH = 12.5, garantizando
una buena protección frente a la corrosión de los aceros de refuerzo embebidos en el hormigón
y el aumento de la resistencia de la pasta de cemento ante el ataque por ácidos. (Murray,
2000)
Como el C3A presente en el clínker reacciona inmediatamente con el agua y provoca el
fraguado instantáneo, permite la formación de aluminatos hidratados en fase metaestable
como el C4AH19 y C2AH8 cuyos cristales tienen forma de platos hexagonales y con el transcurso
del tiempo se transforman a una fase menos soluble y más estable de composición C3AH6.
Dicha reacción puede representarse mediante la siguiente ecuación:
C3A + 6H ➜ C3AH6 (Ecuación 17)
(Aluminato tricálcico +Agua → Aluminato tricálcico hidratado)
Para retardar la reacción de los aluminatos se adiciona yeso (3CSH2). Durante la reacción
entre C3A y los iones sulfato (SO4 2-) provenientes de la disolución del yeso, se produce
inicialmente un sulfoaluminato de calcio pobre en iones sulfato. Con el transcurso del tiempo
de reacción y la presencia de iones SO4 2-, el sulfoaluminato se enriquece en SO4 2- y precipita
la ettringita (C3A.3CS.32H). Esta reacción se muestra en la siguiente ecuación:
C3A + 3CSH2 + 26H ➜ C3A.3CS.32H (Ecuación 18)
(Aluminato tricálcico + Sulfato de calcio + Agua → Ettringita)
Esta ettringita también llamada ettringita de amasado, recristaliza más tarde en agujas que
intervienen en la cohesión del material. Cuando el yeso se consume antes de la hidratación
total del C3A, la ettringita pierde SO4 2- y se transforma en monosulfoaluminato de calcio
hidratado (C3A.CS.12H) que se presenta como placas hexagonales o pseudo hexagonales. Si
el contenido de C3A y la cantidad de iones SO4 2- en la solución es suficiente para la formación
de la misma, cristaliza finamente permitiendo una buena plasticidad de la mezcla.
El C4AF aparentemente tiene la misma secuencia de hidratación que la correspondiente al
C3A, aunque las reacciones de este compuesto son más lentas y liberan menor cantidad de
calor. El C4AF no causa el fraguado instantáneo de la pasta debido a que no se hidrata lo
suficientemente rápido y la presencia de yeso retarda su hidratación más drásticamente que
la del C3A. (Roche, 2018)
23
1.4.3 Hidratación de pastas de cemento Portland – arcilla calcinada
Cuando se agregan arcillas calcinadas en forma de metacaolín al cemento se produce la
interacción entre los aluminosilicatos (AS2) suministrados por el metacaolín y la portlandita
liberada durante la hidratación de los silicatos de calcio.
AS2 + 6CH + 9H → C4AH13 + 2CSH (Ecuación 19)
(Metacaolinita) + (Portlandita) + (Agua) → (Aluminato tetracálcico hidratado) + (Silicato de
calcio hidratado)
AS2 + 5CH + 3H → C3AH6 + 2CSH (Ecuación 20)
(Metacaolinita) + (Portlandita) + (Agua) → (Aluminato tricálcico hidratado) + (Silicato de calcio
hidratado)
AS2 + 3CH + 6H → C2ASH8 + CSH (Ecuación 21)
(Metacaolinita) + (Portlandita) + (Agua) → (Gehlenita o ettringita) + (Silicato de calcio
hidratado)
En una pasta de cemento completamente hidratada el CH ocupa entre el 20-25% del volumen
de sólidos y su único aporte se limita a la contribución en el mantenimiento del pH que evita la
corrosión del acero de refuerzo en hormigones armados. (Manso, 2016)
La reacción del CH con la alúmina y la sílice proveída por la arcilla calcinada incrementa el
volumen de sólidos en la matriz cementicia a través de la formación adicional de compuestos
del tipo CSH, además de otras fases estables como la ettringita, lo cual provoca menores
valores de porosidad, absorción de agua y sorptividad. (Vizcaíno, 2014)
Se ha demostrado que el uso de metacaolín acelera la hidratación del cemento Portland y
disminuye el contenido de hidróxido de calcio en las mezclas, mejora la permeabilidad y por
tanto reduce la penetración del ion cloruro en hormigones expuestos al contacto con agua de
mar, así como que aumenta la resistencia frente a ataque de sulfatos. (Manso, 2016)
1.4.4 Actividad puzolánica
Las puzolanas son materiales de naturaleza silícea o sílico-aluminosa, las cuales por si misma
poseen poca o ninguna propiedad cementante, pero finamente divididas y en presencia de
humedad, reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio para formar compuestos con
propiedades cementantes. (NC 528, 2013)
Las características más importantes de la reacción puzolánica son:
- Es una reacción lenta, en consecuencia, la ganancia de resistencia de la pasta aumenta
con el tiempo, por lo que se hace necesario extender el tiempo de curado para que la
24
reacción prospere, siendo la resistencia a edades tempranas menor que la de los
cementos ordinarios.
- Es una reacción en la cual se consume el CH, reemplazándose sus cristales grandes y
orientados, por pequeños, numerosos y poco orientados de CSH (Silicato de calcio
hidratado). A este efecto se lo denomina refinamiento de grano.
- Los productos resultantes de la reacción precipitan en los poros capilares,
transformándolos en microporos discontinuos (segmentación de poros), y en
consecuencia disminuye la permeabilidad del sistema. (Danner, 2013)
Dentro de los minerales arcillosos las arcillas caoliníticas poseen el mayor potencial como
material puzolánico, por requerir las temperaturas más bajas para su activación y ofrece mayor
reactividad. Arcillas con contenidos de hasta un 30% de caolinita pueden ser activadas y
utilizadas como puzolana con buenos resultados. La incorporación de arcillas caoliníticas
calcinadas en mezclas binarias de cemento Portland a niveles de hasta el 30% de sustitución
permite incrementar o mantener las propiedades de resistencia a la compresión y durabilidad.
(Vizcaíno, 2014)
1.5 Cemento de bajo carbono LC3
El LC3 es un cemento ternario, Portland de alta pureza (P-35) con una mezcla de caliza y arcilla
de origen caolinítico calcinada a temperaturas entre 650 – 800°C. Este aglomerante alcanza
una resistencia similar a la de los cementos Portland con adiciones activas. (Martirena, 2015)
Es un nuevo tipo de cemento, ecológico, que propone una alternativa para la sustentabilidad
ambiental.
El cemento de bajo carbono (LC3) es una formulación novedosa de cemento desarrollada por
un equipo técnico del Centro de Investigación y Desarrollo de Estructuras y Materiales de la
Universidad Central "Marta Abreu" de las Villas, CIDEM y del Instituto Federal de Tecnología
de Lausana, Suiza, que permite sustituir una buena parte del clínker –uno de los componentes
más costosos del cemento– por una combinación de arcilla calcinada, conocida como
metacaolín, y carbonato de calcio en forma de piedra caliza. (Martirena, 2016)
La fórmula de cemento desarrollada permite triplicar los niveles actuales de sustitución de
clínker que logra la industria de cemento en Cuba (alrededor del 15 – 18% en el cemento PP-
25), para producir un cemento de similar resistencia mecánica y una resistencia muy superior
a la penetración de agentes como los cloruros y los sulfatos, que pueden producir daños en la
matriz de hormigón.
25
En la actualidad se ha logrado producir LC3 con una composición de 50% clínker, 30%
metacaolín, 15% caliza y 5% yeso. Estudios de sensibilidad realizados han permitido evaluar
las reducciones de las emisiones de gases invernadero a la atmósfera. Estas varían mucho
de acuerdo a la tecnología utilizada, tomando como ejemplo la más avanzada: calcinador flash
para la producción de metacaolín y tecnología BAT2 para la producción de clínker, se pueden
reducir las emisiones de CO2 alrededor de un 35% en comparación con las del Cemento
Portland Ordinario y un 25% en comparación con las del Cemento Portland Puzolánico. Los
costos de producción del cemento LC3 se reducen significativamente, varían entre el 10 y el
30% en dependencia de la tecnología y los combustibles utilizados. (Berriel, 2016)
1.5.1 Reducción de la huella ambiental en el proceso de producción
Ante las preocupaciones existentes con respecto al cambio climático, diversos países y
corporaciones reconocen la necesidad de implementar políticas que contribuyan a mitigar el
impacto ambiental y crear un modelo sostenible para la producción de cemento. Existe una
estrategia común, sustentada en cuatro líneas de trabajo fundamentales. (Carrasco, 2009)
- la mejora en la eficiencia de los procesos,
- el uso de fuentes alternativas de combustibles,
- la captura y almacenaje de CO2 y
- la reducción del factor clínker mediante el empleo de materiales cementicios
suplementarios.
En este sentido, las acciones a tomar para la reducción de las emisiones causadas por la
industria del cemento deben ser consideradas desde un enfoque regional, atendiendo a las
características geopolíticas y tecnológicas de cada país, organización o fábrica.
El LC3 es un cemento ecológico que contiene menos clínker y utiliza menor consumo de
combustible en su elaboración, con el cual se reducen las emisiones de CO2 hasta en un 30%.
Este nuevo tipo de cemento propone una alternativa para la sustentabilidad ambiental además
de tener un menor costo de producción y una mayor resistencia.
1.5.2 Características que confiere el clínker a los cementos
Las cuatro fases cristalinas que componen al clínker le ofrecen al cemento una serie de
propiedades. Estas varían según las proporciones para fabricar diferentes tipos de cementos.
Silicato Tricálcico o Alita. Fórmula: 3CaO∙SiO2 (C3S)
- Gran velocidad de hidratación.
- Calor de hidratación elevado.
26
- Resistencias mecánicas iniciales altas y finales buenas.
- Estabilidad química aceptable, aunque menor que la del C2S.
Por su elevado calor de hidratación los cementos muy ricos en C3S no son utilizables para
fabricar grandes masas de hormigón, o donde la gran liberación de calor y posterior
enfriamiento producen dilataciones y contracciones que podrían fisurar el hormigón.
Los cementos "calientes" (ricos en C3S) son muy aptos para hormigonado de estructuras y
pavimentación en tiempo frío.
La estabilidad química de los cementos ricos en C3S es menor que la de los ricos en C2S,
porque el C3S libera en su hidratación más Ca(OH)2.
Silicato Bicalcio o Belita. Fórmula: 2CaO∙SiO2 (C2S)
- Pequeña velocidad de hidratación.
- Bajo calor de hidratación.
- Resistencia mecánica buena a largo plazo.
- Estabilidad química buena, mejor que la del C3S.
Los cementos ricos en C2S son fríos (liberan poco calor), por lo que son útiles para hormigonar
grandes masas. Estos proporcionan resistencia mecánica más lentamente que los ricos en
C3S.
Aluminato Tricálcico. Fórmula: 3CaO∙Al2O3 (C3A).
- Muy elevada velocidad de hidratación.
- Muy elevado calor de hidratación.
- Proporciona escasa resistencia mecánica aunque lo hace bastante rápidamente.
- Produce retracción en la hidratación del cemento.
- Vulnerable a la acción química agresiva de aguas selenitosas (que contienen SO4 2- o
Cl-).
La velocidad de hidratación del C3A es tan grande que es preciso añadir yeso al clínker en la
fabricación del cemento Portland, para retrasar su fraguado: La acción química de sulfatos y
cloruros sobre C3A y sus productos de hidratación producen sales complejas (sulfoaluminatos,
cloro aluminatos) con carácter expansivo.
Ferrito Aluminato Tetracálcico. Fórmula: 4CaO∙Al2O3∙Fe2O3 (C4AF)
- Gran velocidad de hidratación.
- Bajo calor de hidratación.
- Confiere muy poca resistencia mecánica al hormigón.
- Estabilidad química buena frente a los sulfatos, siempre que el contenido de C4AF no
sea excesivo.
27
(Aragó, 2007 – 2008)
1.5.3 Ventajas de su uso
El LC3 permite casi duplicar la cantidad de cemento producido a partir de la misma cantidad
de caliza y sustituir una gran parte del clínker con arcilla calcinada. Reduce entre un 20 – 30%
de las emisiones de CO2 en comparación con el cemento tradicional; una gran reducción si se
considera que el cemento es responsable del 5 – 8% de las emisiones producidas por la
actividad humana. Se estima que usar LC3 en lugar del cemento tradicional puede contribuir a
reducir hasta 500 millones de toneladas de CO2 en el año 2050 (equivalente a las emisiones
de UK o Canadá). (Hernández and Fielding.)
La producción a escala comercial de este cemento permitirá abastecer la creciente demanda
sin tener que realizar grades inversiones de capital, y con un reducido impacto ambiental.
(Martirena Hernández, 2013)
Unido a esto se le suman importantes ventajas en su tecnología como son: gastos de
producción más baratos o similares, puede realizarse su fabricación usando los equipos
existentes en una planta de cemento y no necesita ningún cambio importante en la tecnología
del hormigón, lo que contribuye significativamente en el eficiente uso de recursos. (Scrivener,
2014)
El LC3 puede ser una alternativa viable para el crecimiento de la industria del cemento en los
países en vías de desarrollo pues permite la expansión de la producción, es decir que con
menor cantidad de clínker es posible producir mayor cantidad de cemento, reduce
significativamente el costo de producción al consumir menor cantidad de clínker, y disminuye
las emisiones de CO2 a la atmósfera.
1.6 Análisis de la normativa de cementos en Cuba
En la norma cubana NC 980 de 2013 se establece el procedimiento para determinar finura por
el método de tamizado y chorro de aire, y la superficie específica por Blaine.
El método de tamizado mide la finura del cemento mediante su tamizado sobre tamices
normalizados. De este modo, se determina la proporción de cemento cuyo grano es mayor
que el tamaño de la malla especificada. (NC 980, 2013)
El método por chorro de agua mide la retención en el tamiz de 90µm, utilizando un chorro de
agua con una presión de 100kPa.
Con el método de permeabilidad al aire (Blaine), se mide la superficie específica (masa referida
a la superficie) por comparación con una muestra de cemento de referencia. La determinación
28
de la superficie específica sirve principalmente para comprobar la uniformidad del proceso de
molienda de una sola y misma planta. Este método solo permite un juicio limitado sobre las
propiedades del cemento utilizado. (NC 980, 2013)
En la norma cubana NC 506 de 2013 describe un método para la determinación de las
resistencias mecánicas a compresión y flexión del mortero de cemento. (NC 506, 2013)
1.7 Conclusiones parciales del capítulo
La producción de cemento LC3 en Cuba resulta una alternativa ecológica que nos sitúa
en la vanguardia mundial al generar un material de alta demanda en la economía a un
precio más bajo y con menor afectación al medio ambiente.
El uso de MCS constituye una alternativa factible, económica y medioambientalmente
sostenible, dando una respuesta significativa a la demanda de cemento actualmente
en Cuba y el mundo, produciendo cemento con menor cantidad de clínker.
El uso de nuevas alternativas como el empleo de sistemas caliza – arcilla calcinada
permite el incremento en los volúmenes de sustitución de clínker hasta en un 50%.
Al reducir el contenido de clínker, que es la parte más importante, en lo que respecta a
los principales problemas medioambientales en la fabricación de cemento, se reduce
el consumo de energía y las emisiones atmosféricas.
29
CAPÍTULO II: FORMULACIÓN Y PRODUCCIÓN DE CEMENTOS CON
LOS CLÍNKERES CUBANOS
Introducción
Las características químicas, físicas y mineralógicas de los clínkeres influyen en el
comportamiento físico-mecánico de los cementos, ya sea Portland o ternarios base clínker –
arcilla calcinada – caliza (LC3).
En este capítulo se exponen los procedimientos y resultados referidos a la caracterización
química, física y mineralógica de los clínkeres cubanos provenientes de las fábricas de
cemento de Mariel S.A., Cienfuegos S.A., Siguaney y Nuevitas. Además de la caracterización
de la adición mineral base arcillas calcinadas – calizas (LC2).
Para determinar la influencia de los clínkeres en las propiedades físico–mecánicas de los
cementos (CP y LC3 base clínker – arcilla calcinada – caliza) se realizan morteros con arena
normalizada, los cuales se someten a una serie de ensayos como Blaine, Finura, Calorimetría
Isotérmica y Resistencia Mecánica.
Para esto se describen las características de los materiales a utilizar, los ensayos que se
ejecutan, se argumenta el procedimiento llevado a cabo, además de los equipos e
instrumentos empleados en el laboratorio.
Los resultados obtenidos se presentarán en el tercer capítulo.
2.1 Caracterización de las materias primas empleadas
Los materiales que se emplean en la elaboración de los cementos son los clínkeres
provenientes de las fábricas existentes en el país, el yeso de la Mina de Punta Alegre
perteneciente a la Empresa de Materiales de la Construcción, la caliza proveniente de las
Canteras de Nieves Morejón y el LC2 (adición mineral compuesta por arcilla calcinada y caliza)
tomado de la prueba industrial realizada en la Fábrica de Cemento Siguaney.
2.1.1 Clínker
Las muestras de clínker son tomadas de las fábricas de cemento de Nuevitas en Camagüey,
Siguaney en Sancti Spíritus, Cienfuegos, y Mariel en Artemisa, las únicas en el país (existen
seis) que lo producen.
30
Figura 8: Fábricas de cemento cubanas donde se produce clínker
2.1.2 Yeso
El yeso que se utiliza es suministrado por la Fábrica de Cementos Siguaney, el cual se toma
principalmente en forma de roca del almacenamiento de la fábrica y es proveniente de la
Empresa de Materiales de la Construcción de Punta Alegre. Este se caracteriza en el
laboratorio de la misma fábrica.
Figura 9: Yeso de Punta Alegre, en Ciego de Ávila
Tabla 1: Análisis químicos del yeso
Compuesto SO3 PPI R.I
Porciento (%) 44,05 8,86 6,55
Fuente: Elaborado por la Fábrica de Cementos Siguaney.
2.1.3 Caliza
La caliza empleada en la obtención de los cementos es suministrada por la Fábrica de
Cementos Siguaney, proveniente de las Canteras de Nieves Morejón en Guayos, Sancti
Spíritus.
31
Figura 10: Caliza de Nieves Morejón, en Guayos, Sancti Spíritus
2.1.4 Adición mineral “LC2”
El LC2 es la adición mineral compuesta por arcilla calcinada y caliza. Esta es suministrada por
la Fábrica de Cementos Siguaney proveniente de la prueba industrial que tuvo lugar entre
diciembre de 2018 y enero de 2019; en ella se calcinaron cerca de 900 ton de arcilla caolinítica
del depósito El Yigre en Yaguajay, para producir aproximadamente 700 ton de LC2.
Figura 11: Arcilla calcinada
Figura 12: Adición mineral “LC2”
Tabla 2: Composición de la adición mineral “LC2”
Clínker Arcilla calcinada Caliza Yeso Total SO3
LC2 2:1 0.00% 62.50% 30.00% 7.50% 100.00% 2.90%
Fuente: Elaborado por el CIDEM.
32
Tabla 3: Caracterización química de la adición mineral “LC2”
Compuesto SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O SO3 CI
Porciento (%) 24.26 11.21 8.92 29.11 0.77 0.15 0.11 2.47 0.0059
Fuente: Elaborado por la Fábrica de Cementos Cienfuegos SA.
2.1.5 Arena normalizada
La arena sílice normalizada suministrada por el laboratorio de la fábrica es la utilizada en la
preparación de los morteros. Esta arena está formada por cuatro fracciones cuya composición
química y granulométrica cumplen las especificaciones de la NC 54–396: 1987 – Arena Sílice
Normalizada Para Ensayo de Cemento.
Figura 13: Arena normalizada
Tabla 4: Características químicas de la arena normalizada
Características U.M. Valor
Óxido de silicio (mín.) % 98
Pérdida por ignición (máx.) % 0,3
Impurezas orgánicas (máx.) % 0,6
Impurezas arcillosas y polvo
(máx.)
% 0,6
Tabla 5: Granulometría de las fracciones
Fracción No. % Retenido Peso (g)
1 Tamiz 2mm 445
2 Tamiz 1mm 460
3 Tamiz 0,5mm 270
4 Tamiz 0,15mm 175
Fuente: NC 54–396:87
33
2.1.6 Agua
En este caso se sigue la (NC 353, 2004)– Aguas para el amasado y curado del hormigón y los
morteros – Especificaciones con la utilización de agua potable del servicio público; donde el
agua que se emplea resulta adecuada para la fabricación de pastas y morteros, cumpliendo
con lo establecido en la norma.
2.2 Diseño experimental de la investigación
Con este diseño experimental se logra evaluar la influencia de los clínkeres cubanos
provenientes de las fábricas de Nuevitas, Siguaney, Cienfuegos y Mariel en la producción de
cementos ternarios base clínker – arcilla calcinada – caliza y compararlos una vez realizados
los ensayos propuestos.
Figura 14: Esquema general de trabajo
Se realizan 36 probetas con cemento P-35 y 36 probetas con LC3, para un total de 72 probetas
prismáticas, de dimensiones 40mm x 40mm x 160mm.
Tabla 6: Cantidad de probetas realizadas para P-35
Edades/Clínker Mariel S.A. Cienfuegos S.A. Nuevitas Siguaney
3 días 3 3 3 3
7 días 3 3 3 3
28 días 3 3 3 3
total 9 9 9 9
34
Tabla 7: Cantidad de probetas realizadas para LC3
Edades/Clínker Mariel S.A. Cienfuegos S.A. Nuevitas Siguaney
3 días 3 3 3 3
7 días 3 3 3 3
28 días 3 3 3 3
total 9 9 9 9
2.2.1 Variables independientes
- Tipos de clínker: Se emplean cuatro tipos de clínker de las fábricas de Mariel,
Cienfuegos, Siguaney y Nuevitas.
2.2.2 Variables dependientes
- Condiciones ambientales
- Dosificación de mezclas: Se produce cemento P-35 con 7% de yeso, 5% de caliza y
88% de clínker para las cuatro muestras preparadas.
- % de LC2: Se produce cemento ternario a partir de mezclas de 50% P-35 y 50% LC2
para las cuatro muestras de P-35.
- Relación agua/cemento: Se utiliza una relación de 0.5 según lo normado en la NC 506:
2013.
- Proceso de molienda: Se muele cada muestra de cemento P-35 durante un tiempo
aproximado de 5 minutos en el mismo molino.
2.2.3 Parámetros de estado
- Finura por tamizado: La finura del cemento se mide mediante su tamizado en un tamiz
de 90µm. También se utiliza el método por chorro de aire, que mide la retención en el
tamiz de partículas que pasan a través de un tamiz de 90µm. (NC 980, 2013)
- Finura por Blaine: La finura del cemento se mide como superficie especifica mediante
la observación del tiempo que tarda una cantidad fija de aire en pasar a través de una
capa compactada de cemento de dimensiones y porosidad especificadas. (NC 980,
2013)
- Calorimetría: Brinda información sobre el desprendimiento de calor durante la
hidratación del cemento.
- Resistencia Mecánica: Se determina la resistencia a compresión de las probetas
fabricadas con las 8 muestras de cemento (4 de P-35 y 4 de LC3) a los 3, 7 y 28 días.
35
2.3 Métodos para la caracterización de clínker y LC2
Los diferentes métodos que se emplean para la medición de la reactividad de las puzolanas,
se han clasificado en métodos directos e indirectos. Los métodos indirectos son aquellas
técnicas que detectan los cambios en las propiedades físico – químicas asociados al progreso
de la reacción puzolánica, como la contracción química, la calorimetría isotérmica y la
determinación de la resistencia mecánica y la porosidad en morteros y hormigones. Los
métodos directos están relacionados con la medición directa del grado de reacción puzolánica,
fundamentalmente a partir del consumo de portlandita mediante diferentes técnicas
instrumentales como el Análisis Termogravimétrico, la Conductimetría y la Difracción de Rayos
X. En dependencia de las propiedades a evaluar o de los tiempos de ensayo requeridos,
pueden ser empleados sistemas CP-Puzolana, o Ca(OH)2 -Puzolana, bajo la forma de pastas,
morteros u hormigones. (Hooton, 2011)
2.3.1 Fluorescencia de Rayos X (FRX)
Es una técnica analítica no destructiva que presenta una alta precisión y consiste en la emisión
de rayos X secundarios (o fluorescentes) característicos de un material que ha sido excitado
al ser “bombardeado” con rayos X de alta energía o rayos gamma. Al presentar un material a
rayos X de longitudes de onda cortas o a rayos gamma, pueden ionizarse los átomos que
constituyen el material. Los rayos X pueden ser suficientemente potentes para expulsar
electrones fuertemente atraídos en los orbitales internos del átomo. Tal remoción electrónica
deja en condición inestable a la estructura electrónica del átomo, y los electrones de orbitales
más energéticos pasan a ocupar el estado activo de los electrones expulsados. Esta diferencia
de energía, o transición, se emite en forma de radiación. El valor de la energía de este fotón
es igual a la diferencia de energía entre los dos orbitales involucrados. Por lo tanto, el material
emite radiación cuya energía es característica de los átomos componentes del material.
(Almenares, 2017)
36
Figura 15: Equipo de Fluorescencia de Rayos X (FRX)
2.4 Formulación y producción de las mezclas
Cuando se tienen todas las materias primas a disposición se toman las muestras
correspondientes. La caliza y el yeso se someten a un proceso de reducción de tamaño de
partículas, con una trituradora de mandíbulas y se colocan en la estufa de la fábrica de
cementos Siguaney durante 3h a una temperatura de 100°C para eliminar la humedad
existente en las mismas. Al terminar se ponen a enfriar a temperatura ambiente.
Finalmente se comienza con la formulación de las mezclas, siguiendo lo establecido en el
diseño de experimento.
Figura 16: Proceso de eliminación de humedad de la caliza y el yeso
37
2.4.1 Proceso de molienda
Se realizan las mezclas de materias primas: caliza, yeso y clínker, para obtener el cemento
Portland P-35. Las mismas se muelen en un molino vibratorio de cilindros, de marca FRITSCH,
con una capacidad máxima de 100g, durante un tiempo aproximado de 5 minutos cada
molienda. No es posible lograr la finura deseada (95 – 97 pasado por el tamiz de 90µm) debido
a problemas técnicos. Cuando se obtiene el Cemento Portland se prepara el cemento ternario
base clínker – arcilla calcinada – caliza (LC3), mezclando el mismo con la adición mineral LC2.
Figura 17: Equipos utilizados en el proceso de molienda
2.4.2 Dosificación de mezclas
Mediante el proceso anteriormente explicado se elaboran aproximadamente 3Kg de Cemento
P-35 con cada uno de los clínkeres que se producen en el país con la siguiente dosificación:
Tabla 8: Composición de los Cementos Portland
Fábricas Clínker (%) Yeso (%) Caliza (%)
Todas 88 7 5
Luego de tener elaborados los cementos con los diferentes clínker, se procede a mezclar una
muestra con la adición mineral LC2, con una dosificación de 50% de CP y 50% de LC2 para
obtener el cemento base clínker – arcilla calcinada – caliza (LC3).
De esta forma quedan formuladas las 4 muestras de cemento P-35 y 4 muestras de LC3.
38
2.5 Descripción de métodos y ensayos
2.5.1 Finura
Este ensayo se realiza en la Fábrica de Cemento Siguaney, donde se utiliza el método de
tamizado por chorro de agua.
El método por chorro de agua mide la retención en el tamiz de partículas que pasan a través
de un tamiz de 90µm,
Utensilios y equipos
- Aparato de tamizado por chorro de agua
- Tamiz de ensayo con malla de 90µm
- Bandeja
- Balanza
- Estufa
Materiales
- Cemento
- Agua
Para la realización del ensayo se pesan 50g de cemento en el tamiz, luego se procede a
realizar el ensayo en el chorro de aire durante 5min aproximadamente con una presión de
100kPa. Al terminar se ponen a secar los residuos de cemento que quedaron en el tamiz, se
pesan y se calcula la finura mediante la siguiente fórmula:
𝐹 = (𝑅 ∗ 2) − 100
Donde:
F: finura del cemento
R: masa del residuo retenido en el tamiz, en gramos (g).
Figura 18: Equipos utilizados en el ensayo de Finura
39
2.5.2 Finura por Blaine
La finura del cemento se mide como superficie especifica mediante la observación del tiempo
que tarda una cantidad fija de aire en pasar a través de una capa compactada de cemento de
dimensiones y porosidad especificadas.
Bajo condiciones normalizadas, la superficie especifica del cemento es proporcional a √t,
donde t, es el tiempo necesario para que una cantidad de aire dada pase a través de la capa
compactada de cemento. El número y distribución de tamaños de los poros individuales se
determina mediante la distribución granulométrica del cemento, que también determina el
tiempo para el paso del aire.
Este método es más comparativo que absoluto y, por lo tanto, se necesita una muestra de
referencia con superficie específica conocida para la calibración del aparato. (NC 980: 2013)
Utensilios y equipos
- Aparato para la permeabilidad Blaine
- Balanza
Materiales
- Cemento
- Discos circulares de papel de filtro
Este ensayo se realiza en la fábrica Cienfuegos S.A.
El equipo utilizado para realizar este ensayo es automático, por lo cual no es necesario hacer
superficie específica, se toman como referencia los valores de cementos P-35 y PZ para el CP
y el LC3 respectivamente, con los cuales se encuentra calibrado el equipo.
Figura 19: Aparato para la permeabilidad Blaine
40
2.5.3 Densidad
En Siguaney se realiza el peso específico a los diferentes cementos, usando el frasco de Le
Chatelier, siguiendo lo establecido en la NC 523-2015 (cemento hidráulico — método de
ensayo —determinación de la densidad).
Utensilios y equipos
- Frasco de Le Chatelier
- Balanza
- Embudo
Materiales
- Cemento
- Líquido
Procedimiento de cálculo.
1. Llenar el frasco con el líquido hasta un punto entre las marcas de 0 mL a 1 mL en el
segmento delgado que tiene en la parte inferior.
2. Registrar la primera lectura después de que el frasco ha sido sumergido en el baño de
agua.
3. Pesar alrededor de 64g de cemento Portland con la aproximación de 0,05g e
introducirlo en el frasco en pequeños incrementos a la misma temperatura del líquido.
Evitar salpicar y ver si el cemento no se adhiere al interior del frasco por encima del
líquido. Se puede usar un vibrador para acelerar la introducción del cemento dentro del
frasco y prever que se pegue al cuello.
4. Después que todo el cemento ha sido introducido colocar la tapa en el frasco y rodarlo
en una posición inclinada, o dándole vueltas con delicadeza en un círculo horizontal,
de modo tal que se liberen las burbujas de aire que puedan quedar ocluidas. Si una
cantidad de cemento adecuada ha sido añadida, el nivel del líquido estará en su
posición final después de las primeras líneas de la graduación superior.
5. Tomar la lectura final después que el frasco ha sido sumergido en el baño de agua.
6. Sumergir el frasco en un baño de agua a temperatura constante para evitar una
variación mayor que 0,2ºC durante el período de tiempo transcurrido entre la primera y
la última lectura.
Cálculos.
- La diferencia entre las lecturas inicial y final representa el volumen de líquido desplazado por
la masa del cemento usado en el ensayo.
Densidad (ρ)
41
ρ [Mg/m3] = ρ [g/cm3] = masa del cemento (g) / volumen desplazado (cm3) (NC 523, 2015)
Figura 20: Frasco de Le Chatelier
2.5.4 Calorimetría Isotérmica
Técnica de análisis térmico que ha ganado creciente importancia en los estudios de la
hidratación del CPO, se fundamenta en la medición de la velocidad de liberación de calor en
función del tiempo bajo un régimen isotérmico y aprovecha el carácter altamente exotérmico
de las reacciones de hidratación del CPO y de las reacciones puzolánicas y su cinética
relativamente lenta (Pane, 2005). De esta forma, la cantidad de calor total liberado para un
momento dado es directamente proporcional a la cantidad de productos de hidratación
generados hasta ese momento, y puede tomarse como una medida del grado de reacción
alcanzado por el sistema. La medida del calor total desarrollado y la velocidad o flujo de calor
obtenidos por este método proveen información acerca de la cinética de hidratación, grado de
hidratación, mecanismo de hidratación, etc., por lo que es una técnica que encuentra
aplicaciones extensivas en el estudio de las reacciones de hidratación del cemento Portland y
de las puzolanas. (Palomo, 2001)
Utensilios y equipos
- Calorímetro de la firma Thermometric, TamAir con 8 canales de capacidad
- Balanza analítica
- Pipetas
- Espátulas plásticas
- Mezcladora de eje vertical
42
- Recipientes de calorimetría
Materiales
- Cemento Portland
- Agua destilada
El ensayo de calorimetría isotérmica se realiza en las pastas de los cementos elaborados con
una relación agua/cemento de 0.5. Las pastas se mezclan a una velocidad de 1600 rpm
durante 2 minutos y el ensayo se realiza en un calorímetro TamAir, de la firma Thermometric
con 8 canales, a una temperatura de 30°C. El agua que se utiliza para realizar el ensayo es
destilada y se usa como referencia para cada una de las muestras. Las lecturas se toman cada
1 minuto durante 3 días, usando un ordenador conectado al equipo.
Figura 21: Equipos utilizados en el ensayo de Calorimetría Isotérmica
2.5.5 Resistencia Mecánica
El método comprende la determinación de las resistencias a compresión y opcionalmente a
flexión de probetas prismáticas, de dimensiones 40mm x 40mm x 160mm.
Las probetas se fabrican con un mortero plástico, compuesto de una parte de cemento y tres
partes de arena normalizada, en masa, y con una relación agua/cemento de 0,50. Se pueden
utilizar arenas normalizadas de diferentes orígenes y regiones, con la condición de que, al ser
utilizadas, los resultados de las resistencias mecánicas no se diferencien en una forma
significativa de los obtenidos usando la arena de referencia CEN.
43
El molde que contiene las probetas se conserva en atmósfera húmeda durante 24h, y las
probetas desmoldadas se sumergen inmediatamente en agua hasta el momento de los
ensayos de resistencia.
A la edad requerida, las probetas se retiran de su medio de conservación húmedo, se rompen
en dos mitades a flexión y cada mitad se somete al ensayo de resistencia a compresión. (NC
506, 2013)
Utensilios y equipos:
- Máquina de ensayos (compresión y flexión)
- Amasadora planetaria
- Moldes de 40mmx40mmx160mm
- Compactadora (Mesa de sacudidas)
- Espátula cronometrada
- Probeta milimetrada
Materiales:
- Cemento
- Arena normalizada (Cuatro fracciones diferentes)
- Agua
Laboratorio:
T = 25±2°C; HR superior a 50%
Se ensayan un total de 72 probetas en edades de 3, 7, y 28 días. Antes de elaborar las
probetas, se limpian y engrasan los moldes a utilizar de acuerdo con los requerimientos. El
molde dispone de tres compartimentos horizontales, de forma que se pueden preparar
simultáneamente tres probetas prismáticas. Las probetas son moldeadas inmediatamente
después de la preparación del mortero.
Para cada amasada de tres probetas se utilizan:
450g ± 2g de cemento,
1 350g ± 5g de arena y
225g ± 1g de agua.
Primero se vierten el cemento y el agua en la mezcladora y a los 30 segundos de mezclado
se les añade la arena por 30 segundos más a una velocidad lenta. Luego se mezclan durante
30 segundos a una velocidad rápida y se detiene la mezcladora durante 90 segundos,
utilizando los primeros 15 para separar el mortero adherido de las paredes del recipiente y el
tiempo restante para permanecer en reposo. Por último se pone en marcha nuevamente
durante 60 segundos a velocidad rápida.
44
Figura 22: Mezcladora
El llenado de los moldes se realiza en dos capas compactadas cada una con 60 golpes en la
mesa de compactación.
Figura 23: Equipos utilizados en la fabricación de las probetas
Las probetas se mantienen a una temperatura aproximada de 25ºC y humedad de 90, en la
cámara durante 24h, después se desencofran y se sumergen en agua hasta las respectivas
edades.
45
Figura 24: Otros equipos utilizados en el ensayo de resistencia
Para la determinación de la resistencia mecánica se utiliza el método de carga concentrada y
centrada por medio del equipo especificado, en este caso una prensa alemana. Primero se
coloca el prisma en el dispositivo de flexión, con una cara lateral sobre los rodillos soporte y
con su eje longitudinal normal a los soportes y se aplica la carga verticalmente por los rodillos.
Los ensayos de resistencia a compresión se realizan sobre las dos mitades del prisma roto.
Se centran cada semi - prisma lateralmente con relación a los platos de la máquina a ± 0,5mm
y longitudinalmente de forma que la base del prisma no sobresalga de los platos o placas
auxiliares más de unos 10mm. Se aplica una carga uniforme durante todo el tiempo de
aplicación de la carga hasta la rotura. Luego se calcula la resistencia a compresión por la
siguiente formula:
𝑅𝐶 =𝐹𝐶
1600
Donde:
Rc: Resistencia a compresión (MPa);
Fc: Carga máxima de rotura (N)
1600 = (40 x 40) mm2 es la superficie de los platos o placas auxiliares
1 N/mm2 = 1MPa
46
Figura 25: Equipos utilizados en la rotura de las probetas
Los resultados de los ensayos de Resistencia quedan recogidos en la siguiente tabla:
Tabla 9: Resistencia de los morteros a los 3, 7 y 28 días.
Cementos / Edades 3 días 7 días 28 días
Mariel P-35 38.0 40.7 46.1
Mariel LC3 18.5 26.7 39.2
Cienfuegos P-35 44.7 49.0 55.5
Cienfuegos LC3 19.7 29.8 40.6
Siguaney P-35 44.9 52.7 62.2
Siguaney LC3 22.3 29.0 39.1
Nuevitas P-35 46.8 52.6 61.3
Nuevitas LC3 20.8 25.4 32.3
2.6 Conclusiones parciales del capítulo
Las técnicas que se emplean para la caracterización química y mineralógica, se
sustentan en una base sólida que contribuye a la obtención de resultados confiables
en la investigación.
La metodología empleada para la investigación permite conocer la influencia que tienen
los clínkeres cubanos en la producción de cementos.
47
CAPÍTULO III: ESTUDIO, ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS
RESULTADOS.
En el presente capítulo se exponen los resultados de los ensayos que se realizan a los
cementos P-35 y LC3 con los diferentes clínker producidos en el país, comparándose las
propiedades físico – mecánicas de los distintos cementos con lo establecido en las normas
NC 95 y NC 1208: 2017.
3.1 Caracterización de los clínkeres cubanos
Tabla 10: Composición química de los clínkeres
Fábricas SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O SO3 Cl
Mariel S.A. 20.13 5.81 2.95 64.67 1.47 0.57 0.63 1.50 0.0043
Cienfuegos S.A. 20.04 4.84 2.87 64.59 1.19 0.54 0.25 1.48 0.0027
Siguaney 21.11 6.63 3.18 65.56 1.05 0.46 0.12 0.57 0.0021
Nuevitas 19.21 6.25 4.94 64.86 1.42 0.37 0.29 0.81 0.0035
Fuente: Elaborado por la Fábrica de Cemento Cienfuegos S.A.
En la composición química se observa que el clínker de Siguaney tiene mayor contenido de
SiO2, Al2O3 y CaO. El clínker de Nuevitas tiene más Fe2O3 y más Cl. El clínker de Mariel S.A.
posee mayor contenido de MgO, SO3, K2O y Na2O.
3.1.1 Composición de fase potencial
Tabla 11: Composición de fase potencial de los clínkeres
Fábrica C3S C2S C3A C4AF
Mariel S.A. 62.76 10.37 10.39 8.99
Cienfuegos S.A. 69.81 4.78 7.97 8.73
Siguaney 69.16 8.36 6.89 9.67
Nuevitas 66.70 4.76 8.19 15.04
Fuente: Elaborado por la Fábrica de Cemento Cienfuegos S.A.
En la tabla anterior se observa que el contenido de C3S es similar para los cuatro tipos de
clínker. El clínker de Mariel S.A. tiene mayor contenido de C2S y C3A. El clínker de Nuevitas
tiene un elevado contenido de C4AF.
48
3.2 Requisitos para cementos según las normas cubanas
Tabla 12: Requisitos y métodos de ensayo para diferentes grados de Cemento Portland
Fuente: NC 95: 2017
Tabla 13: Requisitos y métodos de ensayo para cementos con adiciones activas
Fuente: NC 96: 2017
Tabla 14: Requisitos y métodos de ensayo para los cementos ternarios
Fuente: NC 1208: 2017
49
3.3 Resultados de los ensayos
3.3.1 Finura por Tamizado
La finura por tamizado se realiza en la fábrica de cemento Siguaney, mediante el tamizado por
chorro de agua, usando tamiz de 90µm.
Figura 26: Porciento pasado por el tamiz de 90µm
Figura 27: Porciento pasado por el tamiz de 90µm
En los gráficos anteriores se observa que el cemento con mayor finura es el producido con el
clínker de Siguaney, tanto para el Cemento Portland como para el LC3, mientras que el
Cemento Portland que tiene menor finura es el producido con el clínker de Cienfuegos y en el
caso del LC3 el clínker de Mariel.
50
3.3.2 Densidad
Este ensayo se realiza en el laboratorio de la fábrica de cemento Siguaney, para los cuales se
sigue lo establecido en la NC 523-2015 (cemento hidráulico — método de ensayo —
determinación de la densidad).
En la gráfica anterior se observa que los Cementos Portland tienen una mayor densidad que
los Cementos LC3, para todos los clínkeres producidos en Cuba, siendo el cemento producido
con el clínker de Nuevitas el de mayor densidad en ambos casos, coincidiendo con el cemento
producido con clínker de Cienfuegos S.A. para el Cemento LC3.
3.3.3 Finura por Blaine
Este ensayo se realiza en el laboratorio de la fábrica de cemento Cienfuegos S.A., para los
cuales se sigue lo establecido en la NC 980: 2013. Se obtienen los siguientes resultados:
Tabla 15: Finura por Blaine
Resultados de Blaine (cm2/g)
P-35 Mariel S.A. 5894
P-35 Cienfuegos S.A. 5984
P-35 Siguaney 6196
P-35 Nuevitas 6087
LC3 Mariel S.A. 6547
LC3 Cienfuegos S.A. 6700
LC3 Siguaney 6690
LC3 Nuevitas 6468
Fuente: Elaborado por la Fábrica de Cemento Cienfuegos S.A.
51
Figura 28: Resultados de Blaine
La finura del cemento se mide como superficie específica mediante la medición del tiempo que
tarda una cantidad fija de aire en pasar a través de una capa compactada de cemento de
dimensiones y porosidad especificadas.
Como se puede observar en la figura, los resultados del ensayo de Blaine, demuestran que
los cementos LC3 presentan una superficie específica superior a la del Cemento Portland
producidos con los mismos clínkeres, debido al aporte de la arcilla calcinada a las mayores
superficies específicas del LC3.
Con el aumento de la superficie específica, aumenta la reactividad del cemento con el agua,
lo que favorece la hidratación del mismo e influye de forma directa en las propiedades
mecánicas del cemento endurecido.
3.3.4 Calorimetría
En este ensayo se analizan solamente los cementos P-35 formados a partir de los diferentes
clínkeres producidos en el país.
Los resultados se muestran en la siguiente gráfica:
52
Figura 29: Calorimetría Isotérmica del Cemento Portland
En el gráfico se aprecia que los Cementos Portland producidos con clínker de Mariel y Nuevitas
están sub-sulfatados, pues tienen menor cantidad de sulfatos que la necesaria para el
contenido de C3A, lo cual se evidencia por el hecho del máximo asociado con la disolución
altamente isotérmica de la fase aluminato y formación continuada de ettringita, empleando los
iones sulfatos previamente adsorbidos por los C-S-H formados durante la hidratación del
cemento.
También se observa en la gráfica anterior que los Cementos Portland producidos con clínker
de Cienfuegos y Siguaney están sobre-sulfatados ya que si bien el máximo asociado a la
formación secundaria de ettringita ocurre después del máximo principal este máximo
secundario se encuentra a más de 2h del máximo principal, como se recomienda en
“Optimization of Cement Sulfate, Part I - Cement without admixture” (Sandberg) para un
cemento correctamente sulfatado.
3.3.5 Resistencia (3, 7 y 28 días)
Figura 30: Resistencia a los 3, 7 y 28 días del Cemento P-35
53
Figura 31: Resistencia a los 3, 7 y 28 días del Cemento LC3
En el gráfico anterior podemos observar un crecimiento en las resistencias para las mayores
edades de curado, tanto para los cementos con sustitución del 50% de cemento por LC2 como
para los P-35, esto ocurre para todos los clínkeres producidos en el país.
Los Cementos Portland con los cuales se alcanzaron mejores resultados de resistencia a
compresión son los producidos con el clínker de Siguaney y Nuevitas. Las propiedades
mecánicas de un material cementicio endurecido dependen, entre otros factores, de la
cantidad de fases que contribuyen a los productos de hidratación aportados por los
componentes del clínker. En general se puede esperar que mientras mayores sean los
contenidos de las fases C2S, C3S, C3A y C4AF mayor será la resistencia mecánica del Cemento
Portland, a igualdad que otros factores. Los Cementos Portland que tienen mayores
contenidos de fases mencionados anteriormente son los producidos con los clínkeres de
Siguaney (94.08%) y Nuevitas (94.69%), motivo por el cual alcanzan mayores resultados de
resistencia a compresión en las edades ensayadas. Además se observa que el Cemento
Portland producido con el clínker de Nuevitas alcanza mayor resistencia a los 3 días, lo cual
puede estar dado por el elevado contenido de C4AF que tiene (15.04%), mucho mayor que los
demás. También se puede observar que el Cemento Portland producido con el clínker de
Siguaney tiene mayor contenido de C2S + C3S por lo que alcanza mayores resistencias a los
7 y 28 días.
Los Cementos Portland producidos con los clínkeres de Cienfuegos y Mariel son los que tienen
menores resistencias a compresión. De estos el que tiene menor resistencia es el producido
con el clínker de Mariel, lo cual puede deberse a que es el que menor contenido de fases C2S,
C3S, C3A y C4AF posee, (92.51%), además de tener menor contenido de C2S + C3S, por lo
que alcanza menor resistencia en todas las edades ensayadas.
54
En los cementos LC3 se observa, a los 3 días, una tendencia similar al Cemento Portland,
excepto en el cemento LC3 producido con el clínker de Nuevitas, presumiblemente por ser el
cemento portland más sub-sulfatado y al adicionarle LC2 la sub-sulfatación se incrementa aún
más, provocando una caída de la resistencia a compresión.
La influencia beneficiosa de la adición LC2 se debe a la reacción de los componentes de esta,
fundamentalmente carbonato de calcio y metacaolín, con los productos de hidratación del
Cemento Portland produciendo las fases carboaluminato y hemicarboaluminato, los cuales
rellenan la estructura de poros contribuyendo a mayor resistencia a compresión. Estas
reacciones se favorecen mientras mayor es la superficie de contacto entre los componentes
que reaccionan (productos de hidratación del cemento y LC2). Lo anterior está en
correspondencia con los resultados obtenidos donde se observa una correlación positiva entre
la superficie específica de los cementos LC3 y las resistencias a compresión a los 7 y 28 días,
tiempo a los cuales las reacciones entre los componentes del LC2 y los productos de
hidratación del Cemento Portland son significativas.
3.4 Conclusiones parciales del capítulo
Las mezclas con el cemento LC3 fabricado poseen una mayor demanda de agua, por
lo que es necesario modificar la relación a/c para lograr una consistencia apropiada
para su conformación y compactación.
Los resultados de Blaine muestran que el cemento LC3 fabricado posee mayor finura.
No obstante, no se corresponden con los resultados de resistencia mecánica.
A pesar de no realizar el ajuste de sulfatos, se obtienen muy buenos resultados de
resistencia mecánica.
55
CONCLUSIONES GENERALES
La cinética de las reacciones por medio del ensayo de Calorimetría Isotérmica
evidencia la no adecuada sulfatación de los Cementos Portland, por lo que no se puede
controlar adecuadamente la reacción de los aluminatos.
La resistencia a compresión de los Cementos Portland está dominada principalmente
por su composición potencial de fase, observándose las mayores resistencias a
compresión en los cementos con mayor contenido de fases en el clínker.
La incorporación del LC2 a los Cementos Portland produce una disminución de las
resistencias a compresión para todos los tipos de clínkeres, observándose una relación
directa entre la finura del cemento LC3 obtenido y las resistencias a compresión.
56
RECOMENDACIONES
Teniendo en cuenta los resultados obtenidos se recomienda:
Determinar el contenido óptimo de LC2 para cada tipo de clínker para lograr mezclas
con similares resistencias a compresión que los Cementos Portland.
57
BIBLIOGRAFÍA
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58
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59
ANEXOS
Anexo 1: Composición química (FRX)
Composición química de los clínkeres
Muestra SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O SO3 Cl
Mariel S.A. 20.13 5.81 2.95 64.67 1.47 0.57 0.63 1.50 0.0043
Cienfuegos S.A. 20.04 4.84 2.87 64.59 1.19 0.54 0.25 1.48 0.0027
Siguaney 21.11 6.63 3.18 65.56 1.05 0.46 0.12 0.57 0.0021
Nuevitas 19.21 6.25 4.94 64.86 1.42 0.37 0.29 0.81 0.0035
Composición química de los Cementos Portland
Muestra SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O SO3 Cl
Mariel S.A. 18.41 5.12 2.95 61.39 1.38 0.55 0.48 4.16 0.0053
Cienfuegos S.A. 18.95 4.68 2.94 62.23 1.20 0.51 0.23 4.19 0.0032
Siguaney 19.57 4.45 3.08 63.75 1.06 0.40 0.13 3.26 0.0014
Nuevitas 17.66 5.25 3.64 62.02 1.33 0.18 0.23 3.24 0.0024
Composición química de los Cementos LC3
Muestra SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O SO3 Cl
Mariel S.A. 21.78 8.41 5.32 45.69 1.05 0.34 0.29 3.31 0.0047
Cienfuegos S.A. 21.57 7.93 5.29 45.42 0.94 0.32 0.16 3.23 0.0040
Siguaney 22.65 8.22 5.38 47.17 0.92 0.28 0.13 2.90 0.0045
Nuevitas 21.62 8.41 5.71 46.09 1.04 0.17 0.16 2.80 0.0032
Composición química del LC2
Muestra SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O SO3 Cl
LC2 24.26 11.21 8.92 29.11 0.77 0.15 0.11 2.47 0.0059
60
Anexo 2: Finura por chorro de agua
c
61
Anexo 3: Peso Específico. Blaine
62
63
Anexo 4: Peso Específico. Blaine
64
Anexo 5: Calorimetría Isotérmica
65
66
Anexo 6: Valores de resistencia a las diferentes edades
6.1: Resistencia a los 3 días
Resistencia a los 3 días Cemento Portland
Mariel S.A. 38.75 37.81 38.75 38.13 36.88 37.50
Cienfuegos S.A. 45.00 44.38 44.69 45.31 44.38 44.38
Siguaney 45.00 45.00 45.00 44.38 45.00 45.00
Nuevitas 47.50 45.63 46.88 46.56 47.19 46.88
Resistencia a los 3 días Cemento LC3
Mariel S.A. 18.13 19.38 18.44 19.38 17.81 17.81
Cienfuegos S.A. 19.06 19.06 19.38 20.31 20.00 20.31
Siguaney 22.50 22.19 22.81 21.88 22.19 22.19
Nuevitas 21.56 20.63 20.63 20.00 21.25 20.63
6.2: Resistencia a los 7 días
Resistencia a los 7 días Cemento Portland
Mariel S.A. 40.63 40.31 41.25 41.25 40.31 40.63
Cienfuegos S.A. 49.38 48.75 47.81 50.00 50.00 48.13
Siguaney 52.50 52.81 51.25 52.81 53.75 52.81
Nuevitas 52.50 52.50 53.13 52.19 52.19 52.81
Resistencia a los 7 días Cemento LC3
Mariel S.A. 26.25 26.25 26.56 26.56 27.19 27.50
Cienfuegos S.A. 30.00 29.69 29.69 29.69 30.63 29.06
Siguaney 28.44 28.75 29.38 28.75 29.38 29.06
Nuevitas 25.00 25.31 25.00 25.94 25.63 25.31
6.3: Resistencia a los 28 días
Resistencia a los 28 días Cemento Portland
Mariel S.A. 46.56 46.25 44.38 46.25 46.56 46.56
Cienfuegos S.A. 55.00 55.31 55.31 55.94 55.94 55.63
Siguaney 62.50 61.88 62.19 61.88 62.81 62.19
Nuevitas 61.25 60.94 61.56 60.63 61.25 61.88
67
Resistencia a los 28 días Cemento LC3
Mariel S.A. 39.69 38.75 39.06 38.75 39.38 39.38
Cienfuegos S.A. 40.00 40.31 41.25 40.63 40.94 40.63
Siguaney 39.38 38.75 39.69 39.06 38.75 38.75
Nuevitas 31.88 31.56 32.50 32.19 32.81 32.81
Anexo 8: Resistencia Mecánica
68
69