Evolución de las normas para la fabricación de cemento

Evolución de las normas
para la fabricación de cemento y características de
sus aplicaciones.
Holcim Ecuador S.A.
Portafolio de cementos por desempeño Holcim
En los últimos años, las normas para fabricación de cemento han sufrido
importantes cambios, con una tendencia a adecuarse a las necesidades
de la construcción moderna y a contribuir a la reducción de los gases con
efecto invernadero, con especial énfasis en el CO2.
Descripción
Descripción
Para establecer los requisitos de los cementos, el INEN emitió la NTE
INEN 152, equivalente a la ASTM C150, que cubre los Cementos Portland,
Tipos I al V (OPC = Ordinary Portland Cements). Producir estos cementos
genera más CO2 que la fabricación de los cementos actuales, debido a los
procesos físico-químicos inherentes en su forma de producirlos.
Luego surge la NTE INEN 490, equivalente a la ASTM – C595, en donde se
tienen cementos compuestos con adiciones de puzolana, en otras
palabras, una norma contemporánea, con el cemento Tipo IP. Estos
cementos, al producirlos, generan menor cantidad de CO2 y se introducen
conceptos de durabilidad en los cementos y hormigones comunes.
Finalmente, tenemos la norma actual NTE INEN 2380, equivalente a
la ASTM – C1157. A diferencia de las normas anteriores en donde se
establecían límites en la composición química, en esta norma el requisito
prioritario es el desempeño de los cementos hidráulicos al ser usados en
hormigón, es decir, una norma moderna, con tipos de cementos tales como:
•
•
•
•
•
•
Tipo GU (Uso general)
Tipo HE (Alta resistencia inicial)
Tipo HS (Alta resistencia a los sulfatos)
Tipo MS (Moderada resistencia a los sulfatos)
Tipo MH (Moderado calor de hidratación)
Tipo LH (Bajo calor de hidratación)
Horno horizontal, Planta Holcim Guayaquil
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Descripción
Estos cementos colaboran con el medio ambiente debido a que su
producción genera menos cantidad de CO2; adicionalmente, su mayor
ventaja es que sus usos y aplicaciones van encaminados a los modernos
conceptos de durabilidad.
En todas las plantas de Holcim Ecuador se cuenta con las certificaciones
internacionales ISO 9001:2008, ISO 14001:2004 y OHSAS 18001:2007, lo
cual fortalece nuestros procesos de manera continua, enrumbándonos
hacia los grandes cambios que revolucionan el mundo de la construcción,
produciendo cementos que superan los más altos estándares de calidad.
Molino vertical, Planta Holcim Guayaquil
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Durabilidad del hormigón
El proceso de fabricación del cemento se inicia con la extracción de calizas
y arcillas en las canteras, y su trituración para reducir el tamaño de las
rocas hasta partículas de aproximadamente 25 mm.
El más común de los elementos que se produce con cemento es el
hormigón, de allí su importancia en que éste sea durable. La durabilidad
del hormigón de cemento hidráulico se define como su capacidad para
resistir la acción del intemperismo, los ataques químicos, la abrasión,
permeabilidad, corrosión del acero de refuerzo o cualquier otro proceso
de deterioro. Un hormigón durable conservará su forma, calidad y
trabajabilidad originales al estar expuesto a su ambiente.
El material triturado (arcilla y caliza), se almacena en patios desde donde
se transporta en bandas hacia los molinos de crudo. De los molinos
se obtiene un material muy fino, conocido como harina cruda, que se
deposita en los silos de almacenamiento.
La siguiente etapa consiste en la calcinación de la harina cruda, que
se realiza en hornos, a temperaturas cercanas a los 1450 °C, donde se
producen reacciones químicas que dan lugar al clínker, el mismo que está
compuesto principalmente por los siguientes óxidos:
Óxido de calcio
Dióxido de silicio
Óxido de aluminio
Óxido férrico
CaO
SiO2
Al2O3
Fe2O3
Durabilidad
Proceso de fabricación
Proceso de fabricación del cemento
El uso cada vez más difundido del hormigón en países de clima cálido ha
puesto en evidencia el hecho de que las temperaturas elevadas agravan los
procesos químicos perjudiciales, tales como la corrosión y las reacciones
álcali-agregado. Además, para dosificar y preparar hormigones durables,
se deberían considerar los efectos combinados de inviernos fríos y veranos
cálidos.
La resistencia a los sulfatos, presentes en el suelo, el agua del suelo o el
agua de mar, se logra utilizando materiales cementicios adecuados y
mezclas de hormigón correctamente dosificadas, sujetas a un adecuado
control de calidad.
El clínker, junto con el yeso y las adiciones, se transportan a los molinos
donde se obtiene el cemento. Luego se almacena en silos y se distribuye a
los clientes en sacos o al granel.
Edificios River Towers, vía Samborondón
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Tabla 1.- Factores que afectan el ataque del hormigón por
parte de los agentes químicos.
Factores que aceleran o agravan el ataque
Factores que mitigan o demoran el ataque
Durabilidad
Durabilidad
El hormigón se comporta satisfactoriamente bajo exposiciones
correspondientes a diferentes condiciones atmosféricas, a la mayoría de
las aguas y suelos que contienen sales perjudiciales y bajo muchos otros
tipos de exposiciones. Sin embargo, existen algunos ambientes en los
cuales, a menos que se tomen medidas específicas, la vida útil aun del
mejor hormigón, será muy breve. Comprender estas condiciones, permite
tomar medidas para evitar el deterioro o reducir la velocidad con la cual se
produce. Algunos de los factores que provocan mayor preocupación son la
exposición a los sulfatos, el agua de mar, los ácidos y la carbonatación.
1. Hormigón denso obtenido mediante:
•
•
•
•
•
•
Correcta dosificación de la mezcla
Contenido unitario de agua reducido
Mayor contenido de material cementicio
Incorporación de aire
Compactación adecuada
Curado efectivo
2. Tensiones de tracción reducidas en el hormigón, atribuibles a:
• Uso de armadura de tracción de tamaño adecuado y
correctamente ubicada.
• Inclusión de puzolana (para reducir el aumento de temperatura)
• Colocación de materiales adecuados en las juntas de contracción
3. Diseño estructural:
• Minimizar las áreas de contacto y turbulencia
• Proveer membranas y sistemas con barreras protectoras para
reducir la penetración.
1. Elevada porosidad debida a:
• Elevada absorción de agua
• Permeabilidad
• Vacíos
Fuente: ACI 201.2R
1. La dosificación de la mezcla, mezclado y procesamiento inicial del
hormigón fresco, determinan sus homogeneidad y densidad.
2. Fisuras y separaciones debidas a:
• Concentración de tensiones
• Choque térmico
2. Si los procedimientos de curado son defectuosos, se producirán fallas y fisuras
3. La resistencia a la fisuración depende de la resistencia y capacidad de
deformación.
3. Lixiviación y penetración de líquidos debido a:
4. El movimiento de las sustancias perjudiciales que transportan agua,
aumenta las reacciones que dependen tanto de la cantidad como de la
velocidad del flujo.
• Flujo de líquidos
• Formación de charcos
• Presión hidráulica
Fuente: ACI 201.2R
5. Los hormigones que frecuentemente estarán expuestos a agentes
químicos que se sabe producen un rápido deterioro del hormigón, se
deberían proteger con una barrera resistente a dichos agentes químicos.
Fuente: ACI 201.2R
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Los sulfatos de sodio, potasio, calcio o magnesio que ocurren en la
naturaleza, pueden atacar al hormigón endurecido; algunas veces se
encuentran en el suelo y otras disueltos en el agua adyacente a las
estructuras de hormigón.
Exposición a agentes
Exposición a agentes químicos agresivos
Laboratorio de control de calidad, Planta Holcim
Las formas principales de sulfato que producen deterioro sobre los
componentes del hormigón, son la formación de etringita (aluminato
de calcio trisulfato 32-hidratado, CAO•Al2O3•3CaSO4•32H2O) y yeso
(sulfato de calcio dihidratado, CaSO4•2H2O). La formación de etringita
puede generar un aumento del volumen sólido, provocando expansión y
fisuración. La formación de yeso puede provocar ablandamiento y pérdida
de resistencia del hormigón.
Laboratorio de control de calidad, Planta Holcim
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La protección contra los ataques por sulfatos se logra utilizando
hormigones que retrasen el ingreso y el movimiento del agua, así como el
uso de ingredientes adecuados para producir hormigones que tengan la
resistencia necesaria a los sulfatos. El ingreso y el movimiento del agua se
reducen disminuyendo la relación a/c.
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Exposición a agentes
Generalmente, las soluciones que contienen sulfato de calcio son menos
agresivas que las que contienen sulfato de sodio, las cuales a su vez, en
general son menos agresivas que las que contienen sulfato de magnesio.
Se puede establecer que las cenizas finas, las puzolanas naturales, la
micro sílice y las escorias, son adecuadas para proveer resistencia a
los sulfatos, demostrando que las expansiones en barras de mortero
sometidos a una solución normalizada de sulfato, son menores al 0.1%
en un año al ser ensayados individualmente con cemento portland, de
acuerdo con la norma ASTM C 1012.
La acción de las sales en el agua que contiene sulfato de sodio, carbonato
de sodio y cloruro de sodio, provoca daños que típicamente ocurren en
las superficies expuestas del hormigón húmedo que están en contacto
con suelos que contienen las sales mencionadas. Una vez disueltas, los
iones se pueden transportar a través del hormigón y luego concentrarse
y precipitar en la superficie expuesta. Los daños se producen en forma de
escamas superficiales, de aspecto similar a las producidas por los ciclos de
congelamiento y deshielo.
Laboratorio de hormigón. Cilindros de muestra
14
15
15
Sala de almacenamiento de arcillas, Planta Holcim GU3
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Exposición a agentes
Por la exposición al agua de mar, cuando se construyen estructuras de
hormigón en áreas costeras, si las cimentaciones se encuentran por
debajo del nivel del agua salobre, la succión capilar y la evaporación
pueden provocar súper saturación y cristalización en el hormigón por
encima del nivel del terreno, lo cual provocaría tanto un ataque sobre el
hormigón (sulfato) como la agravación de la corrosión del acero (cloruros).
En las regiones de clima tropical, la combinación de estos efectos
perjudiciales puede provocar graves defectos en el hormigón en apenas
unos pocos años.
El requisito de baja permeabilidad es fundamental no sólo para retrasar
los efectos de los ataques por sulfatos, sino también para lograr una
protección adecuada de las armaduras con el mínimo recubrimiento
de hormigón recomendado por ACI 357R-84 para el caso de exposición
al agua de mar. La baja permeabilidad requerida se obtiene utilizando
hormigones con baja relación a/c, bien consolidados y adecuadamente
curados.
Otro tema importante en la durabilidad del hormigón que contiene
elementos de acero es evitar las condiciones que provocan la corrosión del
acero de las armaduras y de pretensado. Debido al ambiente altamente
alcalino de la pasta de cemento portland, normalmente el hormigón
provee protección contra la corrosión a las armaduras si éstas están
correctamente embebidas.
Si esta protección es o no adecuada, depende del recubrimiento de
hormigón sobre el acero, de las propiedades del hormigón, detalles
constructivos y grado de exposición a los cloruros de los componentes
utilizados para elaborar el hormigón y las fuentes externas.
El ACI 201.2R en base a estudios de investigadores concluye que la
relación a/c de un hormigón que ha de estar expuesto al agua de mar o
agua salobre, o de un hormigón que ha de estar en contacto con cloruros,
no debería ser mayor que 0.40.
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Dovelas. Puente de la Unidad Nacional, Guayas
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Valores físicos
Rubro
INEN 152
INEN 2380
Holcim Ecuador
No menos que
Valores típicos
TIPO I
TIPO II
GU
HE
HS
GU
HE
Resistencia 1 día (MPa)
-
-
-
12
-
9
14
9
Resistencia 3 días (MPa)
12
10
13
24
11
17
25
17
Resistencia 7 días (MPa)
19
17
20
-
18
22
32
22
Resistencia 28 días (MPa)
28
28
28
-
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40
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GU(HS)
Ventajas y aplicaciones de nuestros cementos
Tipos GU, HE y HS.
Altas resistencias iniciales y finales: Las especificaciones de resistencia
a la compresión, para los cementos Tipo GU y HE, contempladas en la
norma NTE INEN 2380 equivalente a la ASTM C 1157, son más exigentes
que las especificadas para los cementos Tipo I y Tipo II en la ASTM C 150,
tanto a edades tempranas como a los 28 días de edad.
Comparativo de Resistencia Holcim Fuerte Tipo GU
Tabla # 1: Requerimientos especificados por INEN C 152, INEN 2380 y los valores de Holcim
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Los valores tomados para la medición de las resistencias de Holcim Fuerte Tipo GU, Holcim Premium Tipo HE
individuales podrían variar.
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Resistencia en MPa
y Holcim Ultra Durable Tipo GU (HS) obedecen a valores promedios de producción continua. Los despachos
Ventajas y aplicaciones
Exposición a agentes
Cualquier medio utilizado para disminuir la permeabilidad del hormigón,
como por ejemplo el uso de reductores de agua de alto rango, puzolanas y
la micro sílice, demorará el inicio de la corrosión para los elementos de acero.
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20
17
13
15
20 20
22
25
28
30
13
9
10
5
0
1 Día
3 Días
NTE INEN 490
(Cemento Tipo IP)
7 Días
NTE INEN 2380
(Cemento Tipo GU)
28 Días
Cemento Holcim
Fuerte Tipo GU
Comparativo de Resistencia Holcim Premium Tipo HE
45
40
40
Proyecto Toachi Pilatón, Pichincha
El proyecto Toachi Pilatón usa cemento Holcim Premium Tipo HE en
hormigón lanzado, alcanzando resistencias superiores a lo indicado por
la Norma. Este cemento se lo emplea en todas las plantas productoras de
concreto premezclado Holcim a nivel nacional.
Resistencia en MPa
35
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25
24
25
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10
12
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5
0
1 Día
3 Días
NTE INEN 2380
20
7 Días
28 Días
HOLCIM PREMIUM TIPO HE
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Resistencia a los sulfatos
Gran durabilidad
Puente de Unidad Nacional, Guayas
Gran durabilidad
Resistencia a los sulfatos
Durante la elaboración del concreto, la hidratación del cemento da como
resultado una solución que contiene hidróxidos de calcio, sodio y potasio
(CaOH2, NaOH y KOH). Estos compuestos pueden ser lixiviados desde
el concreto y en estado libre, contribuyen al deterioro del hormigón con
reacciones expansivas, como la reacción álcali-agregado y el ataque de
sulfatos a la pasta de cemento.
Los sulfatos reaccionan con el hidróxido de calcio liberado durante la
hidratación del cemento, formando sulfatos de calcio (yeso); y el sulfato
de calcio reacciona con el aluminato de calcio hidratado, formando
sulfoaluminato de calcio (etringita). Estas reacciones causan expansión
y pueden producir la descomposición del concreto. Los sulfatos pueden
estar presentes en el terreno, disueltos en el agua subterránea, en los
efluentes o desechos industriales, en los agregados, en las aguas de
embalses, en el agua de mar, etc.
Los cementos que contienen adiciones minerales con propiedades
puzolánicas como los Tipos GU, HS y HE, tienen la ventaja de que la
puzolana ayuda a controlar la lixiviación a través de dos mecanismos:
a) Reduciendo la permeabilidad, b) Convirtiendo el hidróxido de calcio
soluble, en silicato de calcio hidratado (CSH, gel cementante).
En resumen, la puzolana fija la cal que se libera durante los procesos de
hidratación del cemento, formando compuestos con propiedades cementicias.
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Generalmente, las especificaciones de los cementos limitan el contenido
de aluminato tricálcico (C3Al) como criterio para la resistencia a los sulfatos.
Por esto la NTE INEN 152 recomienda el uso del cemento Tipo II (que debe
tener 8% o menos de C3A) cuando se requiera proporcionar moderada
resistencia a los sulfatos; y el cemento Tipo V, con menos de 5% de C3A,
para alta resistencia al ataque de sulfatos. Sin embargo, los estudios han
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Baja permeabilidad
demostrado que los cementos que potencialmente contienen menos
hidróxido de calcio en la hidratación (como los cementos puzolánicos) se
comportan bien en exposición de sulfatos.
Según la NTE INEN 2380, para que un cemento califique como de moderada
resistencia a sulfatos (MS), la expansión máxima en barras de mortero
ensayadas según ASTM C 1012 no debe exceder del 0.10% a los 6 meses; y
para que cumpla como de alta resistencia a sulfatos (HS), la expansión no
debe exceder de 0.05% a los 6 meses o del 0.10% a los 365 días de edad.
La resistencia del hormigón a los sulfatos no solo depende de usar
un cemento apropiado, también puede mejorarse significativamente
produciendo un concreto impermeable y denso, con baja relación de aguacemento, según recomendación de NEC 2011 Tabla 1.8, con suficiente
contenido de cemento, y que sea bien colocado, compactado y curado.
Baja permeabilidad
Una de las propiedades de los cementos con puzolanas es su capacidad
para disminuir la permeabilidad del hormigón. Mientras menor sea la
permeabilidad del hormigón mayor será su durabilidad, pues se reduce la
penetración de iones agresivos del ambiente.
Por ejemplo, en la construcción de túneles, la concentración de dióxido de
carbono (CO2), puede sobrepasar del 1% como consecuencia del tráfico
vehicular. En cambio, en un ambiente rural, la concentración de dióxido
de carbono es apenas el 0.03% como promedio, aunque en las grandes
ciudades puede alcanzar hasta el 0.3% por volumen.
Bajo determinadas condiciones de humedad, esta concentración de CO2 en
los túneles, puede acelerar el fenómeno de carbonatación en hormigones
permeables, al reducir el pH del hormigón a un valor más neutro y causar la
oxidación del acero de refuerzo.
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Ingreso principal, Planta Holcim Latacunga
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Bajo calor de hidratación
En hormigones masivos o en estructuras que tengan gran sección
transversal, como las zapatas de los puentes, es necesario reducir el calor
de hidratación para controlar las fisuras por contracción de la pasta de
cemento. Se recomienda refrescar los elementos y usar cementos con
puzolanas.
Se ha podido establecer que la parte de cemento que se reemplaza con
puzolana, genera solamente el 50% del calor de hidratación que la del
cemento reemplazado.
Pero los cementos GU y GU (HS) de Holcim generan menos calor. En
ocasiones pueden alcanzar a los 7 días un calor de hidratación de 290 kJ/
kg (70 kcal/kg) es decir, el límite de los cementos Tipo MH de la ASTM C
1157.
Sostenibilidad
Bajo calor de hidratación
En estos casos, se recomienda usar cementos con puzolanas naturales
(como el GU, HS y HE) u otros materiales como el humo de sílice (un
subproducto obtenido de la producción de silicio) o ceniza volante
(subproducto de la combustión de carbón mineral).
En las pilas y pilotes del cuarto puente sobre el río Babahoyo, se usó con
éxito el cemento Tipo HE de Holcim, en lugar del cemento Tipo II usado en
el puente “Unidad Nacional” sobre el río Daule.
Sostenibilidad
En la fabricación del cemento, la fuente principal de emisiones de CO2
ocurre durante la producción del clínker, el mismo que se obtiene de la
calcinación en hornos giratorios de una mezcla debidamente proporcionada
de partículas muy finas de arcillas, calizas y otros materiales, hasta alcanzar
temperaturas de 1.450 °C.
Entrada a Machala
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27
Otras aplicaciones
En cambio, en los cementos adicionados como los Tipos GU, HS y HE,
parte del clínker se reemplaza por otros materiales cementicios como
las puzolanas naturales que no necesitan calcinación, reduciendo en
gran porcentaje las emisiones de CO2 a la atmósfera y contribuyendo a la
preservación del medio ambiente.
Viales y transporte
Los cementos GU - HS y HE de Holcim se han usado en las principales
obras de infraestructura a nivel nacional. Por ejemplo, en el puente
Bahía – San Vicente, en el cuarto puente sobre el río Babahoyo; en los
Aeropuertos de Santa Rosa, Tena y Latacunga; en las obras que construye
el Cuerpo de Ingenieros del Ejército; en las carreteras a cargo del MTOP
como la Vilcabamba – Bellavista - La Balsa, la Loja - Zamora, la Chone Rocafuerte, la Cuenca – Molleturo - Naranjal, en las carreteras construidas
por la Prefectura de la provincia de El Oro, como la vía de 8 carriles Santa
Rosa - Machala y “Y” de Corralitos - Tillales etc.
Holcim es miembro de la Cement Sustainability Initiative (CSI), que
agrupa a los 23 productores de cemento más importantes del mundo con
operaciones en más de 100 países, que creen en el desarrollo sostenible
de la industria del cemento.
También se han usado en caminos urbanos importantes como la
construcción de la Avenida Isidro Ayora, la Avenida del Bombero, los carriles
de la Metrovía y las vías de los túneles San Eduardo de la ciudad de Guayaquil;
la Terminal Terrestre Sur, los nuevos carriles del Trole, el Metro en Quito etc.
Recordemos que los cementos Tipo I y Tipo II se obtienen por la molienda
conjunta del clínker de cemento portland y un pequeño porcentaje de
yeso (4 a 5%). Es decir, es un producto que se obtuvo en el proceso de
clinkerización en el horno.
Otras aplicaciones
Sostenibilidad
El combustible que alimenta los hornos, así como todo el proceso de
calcinación produce emisiones.
Centro Comercial Maltería Plaza, Latacunga
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29
Av. Carlos Julio Arosemena, Guayaquil
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Holcim Ecuador S.A.
Holcim
Ecuador S.A.
Planta
Guayaquil
Guayaquil
Km.Planta
18.5,
Vía a la Costa,
Guayaquil,
km. 18.5, vía aEcuador.
la costa,
Teléfonos:
(593-4) 3709000
Guayaquil, Ecuador.
Fax:
(593-4) 3709000, Ext. 1232.
Casilla:
09-01-04243
Teléfonos: (593-4) 3709000
Casilla:
09 - 01 - 04243
Planta Latacunga
PlantaSan
Latacunga
Barrio
Rafael, Vía San Juan,
Latacunga,
Ecuador.
Barrio San Rafael,
vía a San Juan,
Teléfonos:
(593-4) 280 1773
Latacunga, Ecuador.
(593-4)
Teléfonos: (593-3)
238 9177280 8223
Fax:
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