Tesis popular! - Facultad de Minas

EFECTOS DE ALGUNAS ADICIONES
MINERALES COLOMBIANAS EN LA
FABRICACIÓN DEL CLÍNKER PARA
CEMENTO PÓRTLAND I
TESIS DE MAESTRÍA
Presentada por
OLGA ISABEL RESTREPO BAENA
Ante la
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
Para acceder al grado académico de
Magíster en Ingeniería
Área Materiales y Procesos
Director
JORGE IVÁN TOBÓN, MSc.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE MINAS
ESCUELA DE INGENIERÍA DE MATERIALES
MAESTRÍA EN INGENIERÍA
Medellín, Noviembre de 2006
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
AGRADECIMIENTOS
Esta investigación la he podido realizar gracias a la asesoría, sabiduría y entrega de muchas
personas que me colaboraron durante todo este tiempo de trabajo.
A Jorge Iván por su generosidad, sus enseñanzas y la confianza que tuvo en mí durante este
proyecto.
A mi hermano, Oscar Jaime quien fue el que me impulsó durante toda la realización de la
Maestría. Sin sus regaños y ayuda creo que no habría terminado.
A mi familia y a mis amigos por su paciencia, escucha y compañía incondicionales.
Al grupo cementero Argos, Planta Cementos El Cairo por su patrocinio y apoyo;
especialmente a la ingeniera Mónica Acero L. y al señor Janderson Yepes.
A la Escuela de Ingeniería de Materiales de la Universidad Nacional de Colombia,
Medellín. A todo el grupo de profesores por la orientación en los cursos y en la tesis y a
mis compañeros de curso.
A los ingenieros Oscar Ocampo de la empresa Sumicol y Javier Mesa Restrepo por su
colaboración.
A Medardo Pérez G., Marta Salazar G., Manuel Giraldo, Federico Ramírez, Nelsy Nayibe
Guerrero M., Oscar Jaramillo R., Adriana Echavarría, Alejandra Santa A.y Jorge Andrés
Ríos C. por su ayuda en los trabajos de laboratorio.
A Nolasco Jiménez E., Gerente de Asergas y Mario Yepes G., gerente de Industrias
Terrígeno por su asesoría y orientación.
A todos los que injustamente olvidé nombrar pero que también formaron parte de este
proyecto.
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
CONTENIDO
pág.
RESUMEN
ABSTRACT
INTRODUCCIÓN
11
1
GENERALIDADES SOBRE LOS MATERIALES DE INTERÉS
15
1.1
1.1.1
1.1.2
1.2
1.3
1.3.1
1.3.2
15
16
17
21
22
22
1.3.2.1
1.3.2.2
1.3.2.3
CEMENTO PÓRTLAND
Composición química del cemento
Proceso de fabricación
YESO
MINERALIZADORES
Generalidades de los mineralizadores
Características generales de algunos minerales utilizados como
clinkerizadores
Fluorita
Feldespato
Manganeso - Braunita
2
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
31
2.1
2.2
2.3
31
31
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.3.5
2.3.6
2.3.7
2.3.7.1
2.3.7.2
MATERIALES
PROCEDIMIENTO PROPUESTO
TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN Y PREPARACIÓN DE
LAS MUESTRAS
Difracción de Rayos X (DRX)
Microscopía electrónica de barrido (SEM)
Fluorescencia de rayos X (XRF)
Análisis térmico diferencial (DTA)
Producción del clínker en el horno
Microscopía óptica con luz reflejada
Preparación y ensayos del cemento
Finura de molido
Resistencia mecánica
3
RESULTADOS OBTENIDOS, ANÁLISIS Y DISCUSIÓN
47
3.1
3.1.1
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES
Caracterización de la pasta cruda
47
47
27
27
29
29
34
34
35
36
37
38
43
45
45
46
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Continuación CONTENIDO
3.1.2
3.1.3
3.1.4
3.1.5
3.2
pág.
47
50
52
55
3.3
3.3.1
3.3.2
3.4
Caracterización del yeso
Caracterización de la fluorita
Caracterización del feldespato
Caracterización del manganeso
RESULTADOS DE LA SELECCIÓN DE LAS TEMPERATURAS
DE QUEMA
CARACTERIZACIÓN DEL CLÍNKER
Resultados de la difracción de Rayos X
Resultados de la microscopía óptica
RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DEL CEMENTO
4
CONCLUSIONES
89
5
RECOMENDACIONES
91
58
68
68
82
87
REFERENCIAS
93
ANEXOS
99
ANEXO 1. DTA OBTENIDOS PARA CADA UNO DE LOS MUESTRAS
99
ANEXO 2. DIFRACTOGRAMAS DE CADA UNA DE LOS MUESTRAS
112
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1
Tabla 2
Tabla 3
Tabla 4
Tabla 5
Tabla 6
Tabla 7
Tabla 8
Tabla 9
Tabla 10
Tabla 11
Tabla 12
Tabla 13
Tabla 14
Tabla 15
Tabla 16
Tabla 17
Composición Química del Cemento.
Composición mineralógica del clínker.
Influencia de los compuestos del clínker
Consumo energético en la producción de clínker
Porcentajes de adición
Intervalos de trabajo para el DTA
Preparación de las muestras que se llevaron al horno
Temperaturas y tiempo de horneo
Densidades volumétricas de los minerales del clínker
Composición de la pasta utilizada
Composición del yeso
Composición de la Fluorita
Composición química del Feldespato
Composición mineralógica del Feldespato
Resultados del DTA
Análisis petrográfico de las muestras de clínker obtenidas en el
laboratorio
Superficie específica Blaine y resistencias del cemento
pág.
16
16
17
23
33
38
42
43
45
47
47
50
53
53
58
82
87
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
LISTA DE FIGURAS
Figura 1
Figura 2
Figura 3
Figura 4
Figura 5
Figura 6
Figura 7
Figura 8
Figura 9
Figura 10
Figura 11
Figura 12
Figura 13
Figura 14
Figura 15
Figura 16
Figura 17
Figura 18
Figura 19
Figura 20
Figura 21
Figura 22
Figura 23
Figura 24
Figura 25
Figura 26
Figura 27
Figura 28
Figura 29
Figura 30
Figura 31
Figura 32
Figura 33
Figura 34
Figura 35
Figura 36
Figura 37
Figura 38
Proceso de fabricación del cemento.
Reacciones clásicas.
Yeso, CaSO4.2H2O
Fluorita, CaF2
Feldespato potásico, KAlSi3O8.
Braunita
Diagrama de flujo
Difractómetro de Rayos X (DRX).
Microscopio Electrónico de Barrido (SEM).
Equipo de Fluorescencia de rayos X, XRF
Analizador Térmico Diferencial (DTA).
Horno a gas de lecho fijo.
Curva de calentamiento del horno.
Crisol.
Muestra llevada al horno
Microscopio Petrográfico.
Aparato Blaine
Prensa
Difracción de rayos X del yeso
Caracterización del yeso. SEM/EDS
Difracción de rayos X de la Fluorita
Caracterización de la Fluorita. SEM/EDS
Caracterización de la Fluorita. SEM/WDS
Difracción de rayos X del Feldespato
Caracterización del Feldespato. SEM/EDS
Caracterización del Feldespato. SEM/WDS
Difracción de rayos X del manganeso
Caracterización del manganeso. SEM/EDS.
Caracterización del Manganeso. SEM/WDS.
Curva DTA para la Fluorita
Curva DTA para el Feldespato
Curva DTA para el Manganeso
Curva DTA para pasta con adición de 0,5% de fluorita
Curva DTA para pasta con adición de 0,2% de feldespato
Curva DTA para pasta con adición de 0,5% de manganeso
DRX Clínker con adición 0,5% de fluorita a diferentes
temperaturas. Tiempo de residencia en el horno: 45min
DRX Clínker con adición 0,2% de feldespato a diferentes
temperaturas. Tiempo de residencia en el horno: 45min
DRX Clínker con adición 0,5% de manganeso a diferentes
temperaturas. Tiempo de residencia en el horno: 45min
pág.
18
20
22
28
29
30
32
35
36
37
38
39
40
41
41
44
45
45
48
49
50
51
52
54
54
55
56
57
57
59
60
61
62
63
63
65
66
67
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
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Continuación LISTA DE FIGURAS
Figura 39
Figura 40
Figura 41
Figura 42
Figura 43
Figura 44
Figura 45
Figura 46
Figura 47
Figura 48
Figura 49
Figura 50
Figura 51
Figura 52
Figura 53
Figura 54
DRX Clínker sin adición
DRX Clínker con adición de fluorita
DRX Clínker con adición de feldespato
DRX Clínker con adición de manganeso
DRX Clínker con adición 0,2%
DRX Clínker con adición 0,5%
DRX Clínker con adición 1,0%
DRX Clínker con adición 1,5%
DRX Clínker con adición 2,0%
DRX Clínker con adiciones
Comparación de la pasta sin adición con las adiciones del 0,2%
Comparación de la pasta sin adición con las adiciones del 0,5%
Comparación de la pasta sin adición con las adiciones del 1,0%
Comparación de la pasta sin adición con las adiciones del 1,5%
Comparación de la pasta sin adición con las adiciones del 2,0%
Comparación de la pasta sin adición con todas las adiciones
pág.
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
83
84
84
85
85
86
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
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RESUMEN
Como la adición mineral tiene una gran incidencia en el proceso de producción del cemento
Pórtland, este proyecto buscó evaluar técnicamente la utilización de mineralizadores en la
producción de cemento gris, pues, aunque sobre el tema existe un gran interés mundial, no
se conoce que las cementeras nacionales los utilicen en su producción cotidiana; se sabe
que algunas de ellas reciben asesoría internacional en trabajos experimentales.
En esta investigación se usaron minerales de origen colombiano pues se cree que al
utilizarlos se apoya el desarrollo de nuestra industria minera. Se experimentó con la
fluorita (Santander), el feldespato (Antioquia) y el manganeso (Antioquia) en cantidades
del 0,0%, 0,2%, 0,5%, 1,0%, 1,5% y 2,0%. Se aplicaron varias técnicas como difracción de
rayos X, fluorescencia de rayos x, microscopía electrónica de barrido y microscopía óptica
para caracterizar los materiales utilizados y el clínker obtenido; análisis térmico diferencial
para determinar la temperatura de clinkerización y se realizaron ensayos a nivel de
laboratorio para evaluar algunas características físicas y mecánicas del cemento obtenido.
Se encontró que el mejor resultado se logró con la adición de 0,5% de la fluorita al permitir
la mayor formación de alita y la disminución en el contenido de cal libre. El feldespato y el
manganeso (braunita) utilizados no tuvieron un comportamiento apropiado.
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
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ABSTRACT
Since mineral addition is of high significance for the production process of Portland
cement, this project sought to technically evaluate the use of mineralizers in gray cement
manufacture. Although there is great interest worldwide in this subject, we do not know of
any national cement factory using it in their daily production; we do know however, that
some of them are currently receiving international assistance with experimental work.
For this research, we used Colombian sourced minerals since we believe in supporting our
mining industry. We experimented with fluorite (from Santander Province), feldspar and
manganese (both from Antioquia Province) at 0,0%, 0,2%, 0,5%, 1,0%, 1,5% and 2,0%.
Several techniques were used such as: X-ray diffraction, X-ray fluorescence, scanning
electron microscopy and optical microscopy to characterize materials used and clinker
obtained; differential thermal analysis to determine clinkering temperature; and laboratory
trials to evaluate certain physical and mechanical characteristics of resulting cement.
The best results were obtained by 0,5% addition of fluorite since it permits the formation of
alite as well as reduced lime contents. Feldspar and manganese (braunite) on the other
hand, exhibited unacceptable performance.
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
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Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
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INTRODUCCIÓN
El cemento Pórtland puede catalogarse como un conglomerante hidráulico, es un material
inorgánico finamente molido que amasa y endurece por medio de reacciones y procesos de
hidratación y, una vez endurecido, conserva su resistencia y estabilidad incluso bajo el
agua. El endurecimiento se debe principalmente a la hidratación de los silicatos de calcio,
y de otros compuestos como los aluminatos cálcicos [13].
La composición química de las materias primas del cemento gris está conformada
principalmente por cuatro componentes: óxido cálcico, óxido de silicio, óxido alumínico y
óxido férrico, los cuales se dosifican de manera estricta de acuerdo con fórmulas empíricas
denominadas módulos, entre los que están el módulo hidráulico o factor de saturación de
cal, LSF; el módulo de sílice, MS y el módulo de alúmina, MA. Las reacciones entre estos
óxidos hasta los 1450 °C permiten la formación del clínker, el cual está compuesto
principalmente de alita, belita, celita y felita, que son productos con una estructura más o
menos cristalina o amorfa y cuando se hidratan alcanzan su estabilidad química a través de
una reacción exotérmica. Estos compuestos se denominan “minerales” del clínker, aunque
estrictamente no lo son, pues su origen es artificial.
El proceso de producción del cemento se inicia con la extracción de la caliza y la arcilla. El
material explotado se transporta desde la mina a la planta de beneficio donde se tritura y se
muele. La pasta o harina cruda homogenizada se lleva a un horno rotatorio inclinado; allí,
adquiere cada vez mayor temperatura y a través de procesos continuos sufre una serie de
transformaciones físicas y químicas que se pueden dividir en seis fases [14]: Secado crudo
(200ºC), Calentamiento (200ºC-700ºC), Calcinación (700ºC-1100ºC), Reacciones
exotérmicas (1100ºC-1300ºC), Sinterización (1300ºC-1450ºC-1300ºC) y Enfriamiento
(1300ºC-100ºC).
La temperatura alcanza el máximo valor en la fase de sinterización (1300-1450ºC). En ésta
una porción del crudo se convierte en líquido al llegar a la parte más caliente del horno
rotatorio; este líquido, conformado por la fusión de los óxidos de hierro y de aluminio, es
imprescindible para la formación de la alita, la fase más importante del cemento porque
determina la rapidez de fraguado y las resistencias mecánicas [14] y de la belita. Esta fase
líquida influye directamente sobre características tales como reactividad del clínker,
temperatura y velocidad de clinkerización y por lo tanto, sobre el rendimiento y eficiencia
del proceso [8], el cual se desarrolla con un elevado costo energético, en él se invierte más
del 90% de la energía consumida en la fabricación del cemento.
Para poder utilizar el cemento en todo su poder aglomerante es necesario que se encuentre
en forma de polvo fino, pues solo así puede efectuarse de modo eficiente la hidratación de
las partículas, esto se obtiene con la molienda del clínker. En esta etapa se efectúa la
adición del 3% al 5% de yeso, con el fin de controlar el tiempo de fraguado del cemento
11
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
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resultante. Además, se pueden adicionar rellenos o materiales activos. Finalmente, el
cemento se empaca en sacos de 50 kg y 25 kg o se despacha a granel.
El proceso de sinterización o clinkerización es, dentro de la fabricación del cemento, el que
consume mayor cantidad de energía y por esta razón, muchos estudios se enfocan a buscar
la reducción del calor consumido por tonelada de clínker producida. A este respecto, los
investigadores sugieren el empleo de ciertos compuestos minerales que, en pequeñas
cantidades, reducen considerablemente la temperatura de clinkerización y facilitan la
formación del silicato tricálcico en el clínker.
De acuerdo con los trabajos realizados por muchos investigadores, cuando se utilizan
mineralizadores durante el proceso de clinkerización se encuentra que las adiciones
sustituyen parcialmente a la celita y a la felita como fundentes en las reacciones de
clinkerización; pueden aumentar la velocidad de sinterización entre un 8 y un 30%,
acelerando la calcinación y por lo tanto, los procesos de reacción. Además, las adiciones
minerales influyen sobre la composición de la fase líquida, acelerando la formación del
mineral de silicato a menores temperaturas (entre 1200ºC y 1300ºC) y en algunos casos, se
incrementa el porcentaje de contenido de alita y el tamaño de los cristales formados de alita
y belita son mayores. Las adiciones minerales se usan para bajar la temperatura de
formación de la fase líquida y reducir su viscosidad y tensión superficial, pueden disminuir
además, la cantidad de cal libre y ahorrar energía en el proceso hasta en un 40% durante la
clinkerización, lo que implica además, una disminución de los productos de la combustión
(NOx y SOx). [3], [35], [39] y [43]
Sin embargo, los investigadores también hablan de desventajas que son necesarias estudiar,
como por ejemplo, que el uso de adiciones minerales puede retardar el tiempo de fraguado
y la resistencia, de acuerdo con el porcentaje de adición agregada, puede disminuir.
Además, se puede presentar deterioro del revestimiento del horno por la formación de
anillos y costras que atacan el refractario. [35] y [40].
En la actualidad, toda empresa cementera tiene entre sus objetivos buscar cómo
incrementar las adiciones, con el fin de reducir el consumo de combustible, disminuir los
costos de producción y mejorar la calidad de su producto; lo anterior, implica que se tenga
una muy buena caracterización físico-química y mineralógica de los materiales de adición y
del clínker y un control estricto del proceso de producción para encontrar el punto óptimo
en cada etapa de éste.
Hasta la fecha, aunque sobre el tema existe un gran interés mundial, no se conoce en el
ámbito nacional que las cementeras utilicen mineralizadores en su producción; se sabe que
algunas de ellas han recibido asesoría internacional en trabajos experimentales a escala de
laboratorio. Como la adición mineral tiene una gran incidencia en el proceso de producción
del cemento Pórtland, cuando se inició este proyecto se planteó como objetivo general
evaluar técnicamente la utilización de minerales de origen colombiano, en la producción
del clínker para disminuir al máximo la temperatura de sinterización obteniendo un
producto con características mineralógicas y mecánicas similares al clínker sin adición.
12
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
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Como objetivos específicos, se plantearon los siguientes:
Realizar la caracterización petrográfica y química de las materias primas (ya
dosificadas y homogenizadas) utilizadas en la producción del clínker de una cementera
colombiana, del yeso y de los mineralizadores propuestos (fluorita, feldespato potásico
y manganeso).
Caracterizar cualitativa y cuantitativamente las fases mineralógicas del clínker sin y con
adiciones.
Encontrar el porcentaje óptimo de adición de mineralizador de tal forma que se reduzca
al máximo la temperatura de sinterización.
Evaluar la incidencia que tiene la adición de los materiales minerales sobre la calidad
del cemento.
Los resultados esperados en esta investigación, además de cumplir con los objetivos
académicos, eran beneficiar una industria cementera del país, pues con ésta se tiene una
alternativa para revisar el proceso productivo; rebajar los costos de producción del clínker,
ya que al bajar la temperatura del proceso de sinterización, disminuye la cantidad de
combustible para el horno; disminuir las emisiones de NOx y SOx, generando una
producción más limpia y acorde con las leyes ambientales y producir un cemento con
iguales o mejores especificaciones técnicas.
Además, contribuir al proceso de
investigación en la Universidad, continuar con la reactivación, fortalecimiento y desarrollo
de convenios interinstitucionales y fomentar la interacción Universidad – Empresa lo que
genera un trabajo productivo tanto en la parte académica como en la técnica.
A continuación se presenta el trabajo realizado durante esta investigación. El capítulo 1
trata de la revisión bibliográfica realizada sobre el cemento Pórtland, su proceso de
fabricación y se muestran algunos trabajos encontrados en el campo de la adición de
minerales durante el proceso de clinkerización. También se presentan las generalidades de
las materias primas usadas para la ejecución de este proyecto las cuales se consideraron que
eran básicamente tres: la pasta suministrada por la cementera para la producción del
clínker; el yeso (Anzá-Antioquia), necesario para la producción del cemento y las adiciones
minerales utilizadas como mineralizadores.
Los minerales escogidos fueron de origen colombiano porque era una oportunidad de
estudiar materiales propios, cuyos yacimientos estaban cercanos a la planta de producción y
que en caso de dar buenos resultados, podían ser una alternativa que contribuye con el
desarrollo de la industria minera nacional. Se seleccionó la fluorita (Ábrego-Santander)
que es reportada por la literatura como uno de los mejores mineralizadores; el feldespato
(Montebello-Antioquia) por su utilización como fundente en la industria del vidrio y de la
cerámica y el manganeso (Santa Bárbara-Antioquia) porque se ha reportado en la literatura
como mineralizador y por la existencia de un yacimiento en cercanías de la cementera.
13
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
En el capítulo 2 se presenta la metodología aplicada para llevar a cabo la experimentación,
la cual incluye los materiales y equipos utilizados y los ensayos aplicados con el fin de
lograr los objetivos propuestos.
En este capítulo se hace una presentación general de las técnicas y de los equipos usados
para caracterizar petrográfica y químicamente las materias primas utilizadas en la
fabricación de cemento del grupo cementero Argos Planta El Cairo, el material de adición
(yeso), los mineralizadores propuestos (fluorita, feldespato y manganeso) y las fases
mineralógicas del clínker con adiciones de los diferentes minerales en cantidades del 0,0%,
0,2%, 0,5%, 1,0%, 1,5% y 2,0%, tales como la microscopía electrónica de barrido, SEM
(EDS/WDS), la difracción de rayos X, DRX, la fluorescencia de rayos X, XRF; y la
microscopía óptica con luz reflejada; para encontrar el porcentaje óptimo de adición y para
lograr la máxima reducción de la temperatura de clinkerización a través del análisis térmico
diferencial (DTA).
Además se presenta el proceso de producción del clínker en el horno de lecho fijo; la
elaboración del cemento con el yeso utilizado por la cementera y con el clínker preparado
en el laboratorio y la evaluación técnica de algunas características del cemento obtenido en
el laboratorio a través del desarrollo de la resistencia a la compresión y de la superficie
específica Blaine.
En el capítulo 3 se encuentran los resultados obtenidos al utilizar la fluorita, el feldespato y
el manganeso como mineralizadores; además, se hace el análisis de estos resultados y su
discusión.
Finalmente en los capítulos 4 y 5, están las conclusiones obtenidas y las recomendaciones
sugeridas para las personas que pretendan continuar con el estudio de los mineralizadores
durante la producción del cemento.
14
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
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1. GENERALIDADES SOBRE LOS MATERIALES DE INTERÉS
En este capítulo se presenta una revisión bibliográfica sobre el cemento Pórtland, su
proceso de fabricación y el uso de las adiciones minerales. El objetivo es mostrar los
resultados que los investigadores a nivel mundial han obtenido con el uso de adiciones
minerales durante la fabricación del clínker y presentar las características generales de los
materiales que hacen parte fundamental del desarrollo de este proyecto. Como materias
primas se consideraron básicamente tres, la pasta suministrada por la cementera para la
producción del clínker, es decir, la mezcla de las materias primas molidas y dosificadas y
agua, lista para ser calcinada; el yeso, necesario para la producción del cemento y las
adiciones minerales utilizados como mineralizadores.
1.1 CEMENTO PÓRTLAND
El Cemento Pórtland es un polvo mineral finamente molido, el cual resulta de la trituración
y molienda del clínker, de un regulador de fraguado que normalmente es yeso y en algunas
ocasiones, de adiciones, que al mezclarse con agua forma pastas que fraguan y endurecen
debido a las reacciones de hidrólisis e hidratación de sus constituyentes y da lugar a la
formación de productos hidratados estables y mecánicamente resistentes [41]. El clínker,
es un material granular resultado de la cocción o calcinación a 1450°C, de las materias
primas (calcáreos + arcillas + correctores), previamente molidos, mezclados y luego de
llegar a una fusión parcial, que son enfriados bruscamente. De acuerdo con el uso y sus
propiedades, el cemento Pórtland se clasifica en [11] y [14]:
Tipo 1. Es el cemento de uso corriente, destinado a obras de hormigón en general, al
que no se le exigen propiedades especiales aparte de la hidráulica.
Tipo 1-M (M-modified). Para uso corriente pero con resistencia superior a las del tipo
1.
Tipo 2 (SRC-sulfate resistant cement /LHC-Low heat cement): Para obras expuestas
a la acción moderada de los sulfatos y para aquellas donde se requiere moderado calor
de hidratación.
Tipo 3 (RHC-resistant high cement): Es el que desarrolla altas resistencias iniciales,
es decir, endurece rápidamente.
Tipo 4 (LHC-Low heat cement): Genera bajo calor de hidratación durante su
fraguado.
Tipo 5 (SRC–sulfate resistant cement): Ofrece alta resistencia a la acción de los
sulfatos.
Tipos 1-A, 1-M-A, 2-A y 3-A (A: Air): Son cementos Pórtland tipos 1, 1-M, 2 y 3 a
los que se les adiciona un material incorporador de aire, que hace al concreto liviano y
15
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
aislante muy usado en los países con estaciones para preservar la temperatura interna de
la construcción y para que resista los cambios bruscos de temperatura.
1.1.1 Composición química del cemento. La composición química del cemento no es
fija; sin embargo, se acepta que son cuatro óxidos los que constituyen el 95% en peso de las
materias primas (materiales calcáreos y arcillosos). En la Tabla 1 se muestran los
compuestos principales y secundarios y sus porcentajes aproximados de participación en la
producción del clínker:
Tabla 1. Composición Química del Cemento. [16]
Componentes
Principales
Secundarios
Óxido cálcico
Óxido de silicio
Óxido alumínico
Óxido férrico
Álcalis
Trióxido de azufre
Pérdida al fuego
Residuo insoluble
Óxido de magnesio
Manganeso
Titanio
Cromo
Fósforo
Bario
Estroncio
Fórmula
Abreviatura
Porcentaje
CaO
SiO2
Al2O3
Fe2O3
K2O+ Na2O
SO3
MgO
Mn2O3
TiO2
Cr2O3
P 2O 5
BaO
SrO
C
S
A
F
K+N
S
P.F.
R.I.
M
Mn
T
Cr
P
Ba
Sr
65,00
21,00
6,00
3,00
0,80
1,50
1,50
1,00
1,50
0,20
0,25
47 (ppm)
0,10
0,02
0,10
Las reacciones entre estos óxidos a temperaturas cercanas a los 1450°C permiten la
formación del clínker, el cual está compuesto, dependiendo de la velocidad de
enfriamiento, de unos productos con una estructura más o menos cristalina o amorfa que
cuando se hidratan alcanzan su estabilidad química a través de una reacción exotérmica.
En la Tabla 2 se especifica la composición mineralógica del clínker.
Tabla 2. Composición mineralógica del clínker. [4] y [44]
Compuesto
Silicato tricálcico
Silicato dicálcico
Aluminato tricálcico
Ferroaluminato tetracálcico
Óxido de calcio
Óxido de magnesio
Nombre
Fórmula
Fórmula
abreviada
Alita
Belita
Celita
Ferrita o Felita
Cal libre
Periclasa
3CaO.SiO2
2CaO.SiO2
3CaO.Al2O3
4CaO. Al2O3. Fe2O3
CaO
MgO
C3S
C2S
C3A
C4AF
C
M
16
Composición
aproximada %
Máxima Mínima Media
70
35
60
35
10
20
17
0
10
20
5
12
5
0
1
3,5
0
0,5
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
En la Tabla 3 se presenta la influencia que tienen los principales compuestos presentes en el
clínker en sus propiedades químicas, físicas y mecánicas.
Tabla 3. Influencia de los compuestos del clínker. [4] y [44]
Compuesto
Resistencia Resistencia Desarrollo de
temprana
final
resistencia
Calor de
hidratación
(cal/g)
Expansión o
contracción
Resistencia
Fraguado
química
C3S
Alta
alta
rápido
120
----
normal
Rápido
C2S
Baja
alta
lento
62
----
normal
Lento
C3A
Baja
baja
Muy rápido
207
C4AF
Muy baja
Muy baja
rápido
100
CaO
----
----
----
----
MgO
----
----
----
----
SO3
----
----
----
----
Baja
Muy rápido
Contracción a edad
temprana
resistencia
Alta
Rápido
---resistencia
Baja
Rápido
Expansión
resistencia
Expansión
------(retardada)
Lento
Expansión
----
1.1.2 Proceso de fabricación. En la industria de cemento el proceso de producción abarca
desde la explotación de las materias primas hasta el empacado del producto final; sin
embargo, el cemento no se considera un producto terminado porque su calidad se ve
afectada por la manipulación en obra [14].
Este proceso se inicia con la extracción de la caliza y la arcilla de la cantera. Este material
debe ser reducido de tamaño, lo cual se hace en sucesivas etapas pasando del tamaño de la
roca al de un grano de harina. Al iniciar el último paso de reducción se dosifican las otras
materias primas y el material así preparado, está listo para ingresar al horno.
Existen dos grandes métodos de producción de cemento; el primero es el sistema de
producción por vía húmeda que es cuando la molienda se realiza en presencia de agua; esta
forma facilita el transporte y disminuye el impacto ambiental por polución, pero encarece la
producción al incrementarse el consumo de combustible en la cocción para extraer el
exceso de agua. El segundo método es el sistema de producción por vía seca, en este
proceso el producto de la molienda es una harina que se deposita en silos especiales en los
cuales se homogeniza por medio de agitación por aire (fluidificación) [16]. Este proceso se
muestra en la Figura 1.
El proceso usado en la planta que nos suministró el material para este trabajo es el de vía
húmeda, en el cual el producto de la molienda es una pasta que es llevada a la fábrica a
través de un pastoducto con una humedad cercana al 38% (con este valor se evita el
atascamiento del material al interior de la tubería) hasta unos espesadores que reducen la
humedad de la pasta al 32% aproximadamente, pasa a las balsas donde se homogeniza
completamente mediante agitación mecánica o neumática (insuflación de aire) [44].
17
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
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Figura 1. Proceso de fabricación del cemento. [13]
18
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
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La pasta o harina cruda homogenizada se lleva a un horno rotatorio inclinado, el cual está
conformado por un cilindro de acero, con diámetro entre 3 y 5m y una longitud, en
ocasiones llega a ser superior a los 150m; el cilindro gira lentamente alrededor de su eje y
está cubierto en su interior por ladrillos refractarios ácidos, neutros y básicos. En el horno
la pasta adquiere cada vez mayor temperatura y a través de procesos continuos sufre una
serie de transformaciones físicas y químicas que se pueden dividir en las siguientes fases
[16]:
a. Secado del crudo. (0 - 200ºC). Se evapora el agua libre.
b. Calentamiento. (200ºC - 700ºC). Se queman las impurezas orgánicas, se elimina el
agua combinada de la arcilla y se elimina el CO2 de la magnesita, MgCO3.
c. Calcinación. (700ºC – 1100ºC). Se completa el proceso de disociación de los
carbonatos de calcio y de magnesio y se forma óxido de calcio libre (CaO). Además, se
descomponen los minerales arcillosos deshidratados en los óxidos S – A y F que
reaccionan con el CaO. Como resultado de estas reacciones, que ocurren en estado
sólido, se forman los minerales C3A, CA y en parte C2S. Hasta esta fase todas las
reacciones son endotérmicas.
d. Reacciones exotérmicas. (1100ºC – 1300ºC). Se forman C3A, C4AF y C2S. El
aumento de la temperatura en el horno es rápido en un tramo relativamente corto.
e. Sinterización o clinkerización. (1300ºC – 1450ºC – 1300ºC). La temperatura alcanza
el máximo valor de 1450ºC, el cual es necesario para la fusión parcial del crudo y la
formación completa del principal componente mineralógico del clínker, el C3S, el cual
se forma por reacción entre el C2S y el CaO sobrante.
f. Enfriamiento. (1300ºC – 100ºC). Se forma por completo la estructura y composición
definitiva del clínker, en la cual figuran C3S, C2S, C3A, C4AF y los componentes
secundarios. El clínker sale del horno en forma de granos pétreos, de forma esférica, de
tamaños pequeños y de color gris. El proceso de descarga se hace en forma rápida y
continua y se acelera con diferentes equipos como los enfriadores de parrilla y los
planetarios entre otros. En esta fase del proceso es donde se da la característica de alta
reactividad del clínker.
En la Figura 2 se presenta un esquema de la secuencia de las reacciones clásicas que se
presentan en cinco zonas principales del horno. La Figura 2a) es en función del tiempo de
residencia en el horno, el cual tiene un tiempo total de 45 minutos [12] y la Figura 2b)
presenta esta mismas reacciones pero en función de la temperatura de formación de éstas, la
cual es aproximadamente de 1450ºC [18].
19
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
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Figura 2a. Tiempo de residencia en el horno
Figura 2b. Temperatura de formación
Figura 2. Reacciones clásicas. [12] y [18]
20
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
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Para poder utilizar el cemento en todo su poder aglomerante es necesario que se encuentre
en forma de polvo fino, pues solo así puede efectuarse de modo eficiente la hidratación de
las partículas. Esto se obtiene por la molienda del clínker, en esta etapa se efectúa la
adición del 3% al 5% de yeso, con el fin de controlar el tiempo de fraguado del cemento
resultante. Además, se pueden adicionar rellenos o materiales activos. Finalmente, el
cemento es empacado en sacos de 50 kg y 25 kg o se despacha a granel [44].
1.2 YESO
El yeso es una roca sedimentaria formada por sulfato cálcico hidratado y cristalizado. A
continuación se presentan las características generales de este mineral [49].
Fórmula química: CaSO4.2H2O. Sulfato de Calcio dihidratado
Clase: Sulfatos. Subclase: Sulfatos hidratados
Etimología: Del nombre Griego "gyps" que significa "mineral calcinado". Lo de
Selenita viene del griego en alusión a su brillo perlado (luz de luna), por lo que la
llamaron la roca de la luna.
Cristalografía: Sistema y clase: Monoclínico;2/m
Propiedades físicas:
Color. Incoloro, blanco, gris; diversas tonalidades de amarillo a rojo castaño por
causa de impurezas. De transparente a translúcido.
Raya: Blanca.
Brillo: Vítreo y sedoso en los cristales. Nacarado en superficies de exfoliación.
Dureza: 2
Densidad: 2,32 g/cm3
Óptica: Biáxico positivo con débil birrefringencia
Otras: Tiene una baja conductividad térmica
Propiedades químicas. Está compuesto por 33,56 % de CaO; 46,51% de SO3 y 20,93
de H2O. Es soluble en ácido.
Su principal utilización es en la producción de escayola que al ser amasado con agua se
emplea como material plástico en escultura y para sostener huesos fracturados. Igualmente,
se usa como material de construcción en edificios temporales para enyesado de paredes,
molduras y vaciados. Junto con la arcilla se utiliza como fertilizante para neutralizar la
acidez del suelo y sin fraguar, es un aditivo retardador en el cemento Pórtland. También
sirve como fundente cerámico y como relleno de pinturas. Debido a su exfoliación laminar
y su transparencia, así como su baja conductividad térmica, los romanos lo utilizaron en
21
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
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algunos casos a modo de aislante en ventanas, como hoy se usa el vidrio. Este mineral es
presentado en la Figura 3.
Figura 3. Yeso, CaSO4.2H2O [49]
En Colombia, de este mineral sólo existen yacimientos de alguna importancia en los
departamentos de Santander y Tolima. No obstante, en varias regiones del país también se
explotan algunos pequeños yacimientos, como es el caso del Municipio de Anzá en
Antioquia [47].
1.3 MINERALIZADORES
A continuación se hace una descripción general del uso que han tenido los mineralizadores
en la industria del cemento y de las características que reporta la literatura sobre los
minerales utilizados para este proyecto.
1.3.1 Generalidades de los mineralizadores. La industria del cemento depende
fundamentalmente de las materias primas utilizadas, pues ellas determinan el tipo y las
características del cemento producido y en buena medida la posibilidad de optimización del
proceso de producción. Entre éstas se puede considerar la adición que es una roca o
mineral que se agrega a las materias primas con el fin de aportar alguna cualidad positiva
adicional o mejorar algunas de las características que ya posee el producto final [11].
Esta adición, dependiendo de los resultados que se deseen obtener, se puede hacer durante
la producción del clínker, agregándose un fundente o un mineralizador a las materias
primas; durante la producción del cemento, cuando en la molienda del clínker se adicionan
materiales reguladores del fraguado como el yeso (CaSO4.2H2O), rellenos o “filler” como
el polvo de ladrillo, las puzolanas y adiciones activas como las escorias de alto horno, etc.
para aumentar el volumen y disminuir costos de producción; o durante la producción del
concreto, en la fábrica o en la obra, cuando al cemento se le adicionan una serie de
22
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
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productos químicos para modificarle ciertas propiedades, es el caso de los antiespumantes,
expansores, inclusores de aire, fluidificantes, plastificantes, etc. [45].
Para esta investigación son de interés las adiciones minerales que pueden actuar como
fundentes, mineralizantes o cumplir con las dos características simultáneamente y que se
agregan a las materias primas durante la producción del clínker. El fundente o
clinkerizador es un material que permite descender el punto de fusión de la fase líquida,
pues al fundirse primero actúa como transmisor del calor desde la fuente de energía hacia
los compuestos de la mezcla, o sea, reduce la temperatura requerida para que se presente la
sinterización o clinkerización [45]. El mineralizador es otra clase de componente que
acelera la velocidad del proceso de reacción que tiene lugar en estado sólido dentro de la
fase líquida o en la interfase sólido-líquido, en otras palabras, estimula la formación de C3S
al disminuir el límite inferior de su estabilidad [35]; en la interfase sólido-líquido actúa
aumentando la capacidad de mojado de la fase líquida, es decir, reduciendo la tensión
superficial y, en consecuencia, permitiendo participar en el proceso de disolución una
fracción más elevada de las superficies expuestas de las fases sólidas [39]. Algunos
minerales cumplen la función de fundente y de mineralizador conjuntamente y su acción
puede ser evaluada finalmente con referencia a la formación de C3S en el clínker.
En la clinkerización, como se explicó anteriormente, una porción del crudo se convierte en
líquido al llegar a la parte más caliente del horno rotatorio; este líquido, conformado por la
fusión de los óxidos de hierro y de aluminio, es imprescindible para la formación de la alita
(C3S) y de la belita (C2S). Esta fase líquida influye directamente sobre las características
del clínker producido tales como reactividad del clínker, temperatura y velocidad de
clinkerización y por lo tanto, sobre el rendimiento y eficiencia del proceso [9], el cual se
desarrolla con un elevado costo energético y se invierte más del 90% de la energía
consumida en la fabricación del cemento; por ejemplo, para un proceso por vía seca, el
consumo energético se puede detallar como se presenta en la Tabla 7 elaborada por Palomo
y Blanco (1984):
Tabla 4. Consumo energético en la producción de clínker [35]
Consumo de energía
Calor de formación del clínker:
Calor perdido con el CO2 del crudo
Calor perdido por la salida del clínker caliente
Evaporación del agua
Pérdidas de radiación
Pérdidas por gases de escape de combustible
Total por kg de clínker
kcal/kg
437
32
11
2
233
104
830
KJ/kg
1831,0
134,1
46,1
8,4
976,3
435,8
3477,7
Estudios realizados sugieren que el empleo de ciertos compuestos minerales, (v.g.
clinkerizadores o mineralizadores) en una proporción determinada, pueden reducir
considerablemente la temperatura de clinkerización, logrando un ahorro energético y
posiblemente una modificación de algunos aspectos físicos o químicos del clínker obtenido.
Dentro de las características físico-mecánicas que más se ven afectadas están la resistencia
23
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
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final y el tiempo de fraguado [43]. Según Palomo y Blanco (1984) el uso de fundentes y
mineralizadores puede alterar sensiblemente la secuencia de las reacciones que se presentan
durante el proceso de clinkerización y es posible que dicha alteración pueda suponer una
solución en beneficio del problema energético que se presenta en la industria cementera.
De acuerdo con Viswanathan y Ghosh (1983), el efecto de los fundentes y los
mineralizadores puede ser observado a partir de su influencia sobre:
a. La temperatura de la formación inicial del líquido.
b. La tasa de formación del líquido y la duración de su disponibilidad.
c. Las características del líquido, como su viscosidad, tensión superficial y la influencia de
óxidos menores como el álcali y el SO3 sobre estas propiedades las cuales a su vez
determinan la nodulización y las reacciones de interfase sólido-líquido.
d. La composición química del líquido o los líquidos (en caso de inmiscibilidad) y las
características de cristalización con el enfriamiento.
Los anteriores autores afirman que un incremento en la fase de fundido puede llevar a una
disminución de molturabilidad del clínker, de ahí que la sinterización completa debe tomar
lugar a la temperatura más baja posible y con el mínimo de cantidad de fase de fundido.
Durante la producción del cemento se utilizan unos parámetros químicos que sirven para
controlar que la harina sea lo más homogénea posible para atender con los requisitos de
calidad. Estos parámetros reciben los nombres de módulos y entre éstos se encuentra el
Módulo de Alúmina, MA, el cual se calcula por una fórmula empírica: M A = %Al2O3 = %A .
%Fe2O3
%F
Cuando este módulo es muy bajo, es decir, tiene un valor menor de 1,5, la temperatura de
clinkerización disminuye. Por esta razón, las adiciones minerales son muy importantes
porque al actuar como fundentes pueden influir directamente en el valor de este módulo.
Por la importancia que el cemento Pórtland ha tenido a través de la historia, numerosas
investigaciones se han realizado acerca de su proceso de fabricación y uno de los puntos de
interés es el análisis de agentes químicos que permitan modificar la fase morfológica del
clínker, de tal forma que con temperatura de sinterización más baja se obtengan las mismas
o mejores condiciones de resistencia y propiedades finales del cemento. Por ejemplo, en un
sistema conformado por SiO2-CaO-Al2O3-Fe2O3 el C3S se forma a temperaturas de 1450°C
y, según estudios realizados, este valor se puede disminuir con la presencia de componentes
minerales tales como fluorita, barita, anhidrita, combinaciones de éstas, etc. que faciliten su
formación (Palomo-Blanco, 1984, Syal-Kataria, 1981 y Moir-Glasser, 1992, en [4]).
Diversos componentes, principalmente los óxidos y los haluros (sales), han sido
investigados para evaluar su efecto sobre la clinkerización de las materias primas del
cemento. Gran parte de los compuestos utilizados normalmente como fundentes y
24
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
mineralizadores contienen flúor y de todos ellos, los fluoruros y los fluorsilicatos son los
más usuales. De acuerdo con la investigación de R. Bucchi (1980), H. N. Christensen y V.
Johansen (1974), W.A. Klemm y Jawed (1980) (en [4]), el fluoruro, en una proporción
menor a 0,3%, incrementa la presión parcial del CO2 de las fases carbonatadas y modifica
la cinética de las reacciones durante la clinkerización; además, posibilita la reducción de la
temperatura de formación del primer líquido, así como la viscosidad y la tensión superficial
de la fase líquida del clínker e incrementa la velocidad de formación de la alita. Autores
como Gutt y Osborne (1968) (en [4]), encontraron que el fluoruro cálcico, debido a sus
características mineralizadoras, ayuda a la estabilidad termodinámica del C3S respecto a la
del C2S, permitiendo que el C3S se forme a temperaturas menores a 1250°C.
Bucci (1980) (en [48]) referenció el CaSO4 como un fundente y mineralizador muy
efectivo, éste bajó la temperatura de aparición del líquido en aproximadamente 100°C. El
autor concluyó que la presencia de grandes cantidades de sulfatos alcalinos podían conducir
a la descomposición del C3S, sin embargo, éstos no eran tan buenos mineralizadores como
el CaSO4. Para Mullick, Ahluwalia y Bhargawa (1997), con la combinación de baritina y
fluorita como clinkerizadores se tiene un efecto adicional al de bajar el contenido de cal
libre, incrementar el contenido de C3S y obtener una resistencia a la compresión mucho
más alta.
También se encontró que algunos materiales como el SO3 y el MgO pueden mejorar la
quemabilidad del clínker del cemento. El SO3, según Sudagen y colaboradores (1992) (en
[4]), tiene un efecto fundente muy positivo, pues reduce la temperatura de la formación de
la fase líquida y cambia las características físico-químicas del fundido al disminuir su
viscosidad y su tensión superficial y al incrementar la movilidad iónica de Ca2+, SixO2-,
Al3+, AlO45- y Fe3+. Además, estos autores dicen que el contenido de SO3 del clínker
impide la formación de la fase alita, aunque proporciones pequeñas de óxidos como el
MgO o de álcalis, pueden contrarrestar ese efecto negativo. Sin embargo, Butt y Timashev
(1974) (en [26]) plantean que cantidades pequeñas de SO3 (0,1 – 0,5%) tienen un efecto
catalizador sobre la cal libre y aumentan el contenido de alita. Un contenido menor de 3%
de SO3 reduce significativamente la viscosidad. La presencia de SO3 también puede
mejorar la capacidad que tiene el clínker de ser molido (molturabilidad).
De acuerdo con Lea y Parker (1970) (en [9]) la saturación con MgO (5% MgO en el líquido
o 1-2% en el clínker) causa que la temperatura eutéctica disminuya de 1338ºC a 1301ºC y
cambia el valor crítico para MA de 1,4 a 1,6. Hansen (1930) (en [48]) observó que en el
sistema C3S-C2S-C3A-Fe2O3-MgO la formación del líquido fue aproximadamente a 1300°C
y además que el Na2O bajaba su temperatura a 1280°C y si se adicionaban componentes
menores, ésta se podía bajar más (entre 1250°C y 1280°C).
Sin embargo, de todos los estudios conocidos hasta la fecha los mejores efectos se han
logrado con el uso de compuestos que contengan fluorita (CaF2). Palomo y Blanco (1982)
utilizaron un crudo y fluorita comerciales y observaron que las muestras dopadas con este
mineral dieron siempre menor cantidad de cal libre que las muestras sin ésta, en las mismas
condiciones de tiempo y temperatura. Dicha adición, inhibió la formación de
25
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
seudowollastonita a tiempos de clinkerización cortos (5 minutos) y bajas temperaturas
(1200ºC), favoreciendo la formación de los silicatos bicálcico y tricálcico. Estos
investigadores (1984 y 1995) encontraron que empleando la fluorita, incluso en pequeña
proporción, disminuye la temperatura de formación del C3S y aumenta la velocidad de
formación de los silicatos cálcicos.
Eitel (1966) (en [48]) investigó el efecto de la fluorita y de los materiales que la contienen
como fundentes y mineralizadores para la clinkerización a través del estudio de la fase de
equilibrio del sistema CaO-CaF2-C2S y encontró que la formación de C3S fue mucho más
bajo de 200°C para sistemas puros y su descomposición ocurrió por debajo de 1250°C.
Mukerji (1965) (en [48]) estableció el diagrama ternario completo CaO-CaF2-SiO2 e indicó
que el límite más bajo de descomposición de C3S ocurrió entre 800 y 1030°C mientras que
en el sistema sin CaF2 éste fue entre 1000 y 1300°C. Además, encontró en el diagrama de
fases que la presencia de fluorita bajó la temperatura de la zona del líquidus, se desarrolló
una fase de solución sólida C12xA7.xCaF2 con el incremento de la fase primaria de C12A7 y
con la consecuente reducción del campo C3A, hubo un incremento de la fase de campo C3S
y la formación del C3S ocurrió alrededor de los 1200°C.
Lo anterior coincide con lo encontrado por Torres, Flores y Domínguez [43], quienes
hicieron un estudio en el cual las composiciones consideradas fueron obtenidas mediante la
mezcla de SiO2, CaCO3, Al2O3 y Fe2O3 junto con fluorita CaF2 en porcentajes inferiores al
1,0%. Los resultados obtenidos sugieren que la descomposición del CaCO3 se ve afectada
por la fluorita, alcanzando menores temperaturas conforme se añade el mineralizante. La
presencia del CaF2 fomenta la formación de la belita y alita a temperaturas más bajas.
Vlasoba y colaboradores (1979) (en [35]), encontraron que el CaF2 puede reducir hasta en
un 40% el consumo de combustible durante la clinkerización, la cual fue alcanzada a
1200ºC; lo anterior coincide con lo sugerido por Klemm y Jawed (1980) (en [40]) quienes
observaron que las adiciones que contienen fluorita tienen una mayor influencia sobre la
composición de la fase líquida, la cual a su vez, acelera la formación del mineral de silicato
entre 1200ºC y 1300ºC.
En otra investigación, Torres, Flores y Domínguez [43] encontraron que la resistencia a la
compresión después de 7 días de fraguado en un clínker elaborado con fluorita, aumenta
conforme aumenta el contenido de mineralizante hasta cierto valor. En el estudio
analizado, el valor inferido de los resultados corresponde a 0.45% en peso de CaF2,
confiriéndole la presencia de fluorita el doble de resistencia a la compresión al cemento que
a su equivalente sin adición. Igualmente, Soria-Santamaría, (1995) encontró que la
presencia de fluoruros como la fluorita en contenidos superiores a 0,5% - 0,6% reducen las
resistencias mecánicas del producto final debido a la presencia de C3S.CaF2 que es un
compuesto de baja hidraulicidad.
En un trabajo realizado por Syal y Kataria (1981), el CaF2 utilizado como mineralizador
por encima de ciertos límites (>1%) logró en ciertos casos, resistencias bajas debido
26
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
probablemente a que la fluorita formó una solución sólida con el C3S afectando la
resistencia del clínker, también incrementó la tasa de deterioro del revestimiento del
refractario y en algunas ocasiones, el refractario del horno sufrió daños a temperaturas
mayores de 1400ºC. Esto último coincide con lo planteado por Müller (1929) y Majdie y
Schwiete (1959) en [35], quienes también encontraron que una mezcla de CaF2 y álcalis
formaban anillos y atacaban la superficie de un refractario a 1450ºC.
Otros autores estudiaron los efectos generados por la adición conjunta de varios
mineralizantes, tal es el caso de los investigadores Blanco y Vázquez (1981) quienes
encontraron que de la actuación conjunta de CaF2 y CaSO4 se podía esperar que fueran
capaces de sustituir parcialmente al C3A y al C4AF como fundentes en las reacciones de
clinkerización obteniendo un gran ahorro energético.
Syal y Kataria (1981) concluyeron que el uso de mineralizadores puede reducir la
temperatura de clinkerización entre 100-150ºC. La máxima temperatura y por consiguiente
la economía del combustible depende, no sólo del tipo de mineralizador y su cantidad
óptima, sino también del diseño del horno, del proceso seguido, de la calidad de las
materias primas y del combustible utilizado, entre otros. Al bajar la temperatura en la zona
de quemado por el uso de un mineralizador se reduce el volumen de salida de los gases
emitidos y el volumen de aire requerido para el enfriamiento del clínker. Además, se
reducen las cargas térmicas, se incrementa la vida útil del recubrimiento del refractario del
horno y se reduce el tiempo de apagado por fallas en el horno [40]. Lo anterior también
implica que el requerimiento de combustible necesario para realizar el proceso sea menor y
por lo tanto, genere menos productos de la combustión como el SOx y el NOx, cuya emisión
a nivel mundial es muy restringida por ser altamente corrosivos y por producir la lluvia
ácida.
1.3.2 Características generales de algunos minerales utilizados como clinkerizadores.
A continuación se presentan las características generales de la fluorita, del feldespato
potásico, y del manganeso, los cuales fueron evaluados en este proyecto como
clinkerizadores.
1.3.2.1 Fluorita. De todos los estudios conocidos hasta la fecha los mejores efectos se han
obtenido con el uso de compuestos que contienen fluorita (CaF2), por esta razón se dará
especial interés a este mineralizador sin desconocer la existencia e importancia de otros.
El espato-flúor, llamado también fluorita, es la principal fuente de abastecimiento del CaF2.
Es un mineral cristalino, no metálico y se presenta en la naturaleza en forma de filones o
capas. La Fluorita contiene diferentes porcentajes de fluoruro cálcico y por lo tanto,
después de su extracción se requieren diferentes tratamientos físicos y químicos para
transformar el material en un producto comercial adecuado para su uso. A continuación se
presentan las características generales [20].
27
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Fórmula química: CaF2
Clase: Haluros.
Etimología: Del latín “fluere” que significa fluir.
Cristalografía: Sistema y clase: Isométrico, 4 / m32 / m
Propiedades físicas:
Color. Muy variado. Los colores más comunes son verde, amarillo, naranja y
violeta.
Raya: Blanca
Brillo: Vítreo
Dureza: 4 en la escala de Mohs
Densidad: 3,180 g/cm3
Óptica: Isótropo con índice de refracción de 1,433
Propiedades químicas. Cuando es pura está compuesta por 51,3% de calcio y 48,7% de
flúor. En algunas ocasiones el calcio es reemplazado por itrio y cesio. Las fluoritas de
color violeta contienen además estroncio y las fluoritas verdes samario.
Este mineral se muestra en la Figura 4.
Figura 4. Fluorita, CaF2 [17]
La fluorita se emplea como fundente en la fabricación de aceros, de vidrios opalescentes,
también en esmaltados y en la fabricación de ácido fluorhídrico.
En Colombia, las manifestaciones de fluorita tienen origen hidrotermal en forma de venas o
filones que están asociados a las rocas ígneas, metamórficas y sedimentarias como mineral
de relleno de los respaldos de los filones con sulfuros y se encuentran localizadas en los
departamentos de Santander (principal productor del país), Norte de Santander, Cesar y
Tolima. Su explotación es a pequeña escala y de manera rudimentaria. [10].
28
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
1.3.2.2 Feldespato. Los feldespatos son los minerales primarios más abundantes de la
corteza terrestre, se encuentran en cada uno de los tres tipos de rocas, pero es más común
encontrarlos en las rocas ígneas intrusivas como pegmatitas, sienitas y granitos [17]. A
continuación se presentan sus características generales. [20]:
Fórmula química: KAlSi3O8
Propiedades físicas:
Color. De blanco a amarillo pálido; rara vez verde o rojo.
Brillo: Vítreo
Dureza: 6
Densidad: 2.57 g/cm3
Propiedades químicas. Está compuesta por 16,9% de K2O, 18,4% de Al2O3 y 64,7% de
SiO2. El potasio puede estar sustituido por sodio.
En la Figura 5 se presenta un mineral de feldespato procedente de La Plata Vieja, Huila
(Colombia)
Figura 5. Feldespato potásico, KAlSi3O8. [27]
El feldespato potásico es una componente importante de los granitos, granodioritas y
sienitas que se han enfriado a moderada profundidad y con bastante rapidez. El principal
yacimiento de feldespato en el mundo son las pegmatitas. Se usa como fundente y
vitrificante principalmente en las industrias del vidrio y de la cerámica.
1.3.2.3 Manganeso - Braunita El manganeso utilizado en este proyecto es una braunita,
de la cual se presentan a continuación sus características generales [5]:
Fórmula química: MnIIMnIII6[O8/SiO4] ó MnIIMnIII6SiO12
29
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Propiedades físicas:
Color. De pardo negruzco a gris acerado.
Raya: Negra o parda.
Brillo: Submetálico a craso.
Dureza: 6.0 - 6.5.
Tenacidad: Frágil.
Densidad: 4.67 - 4.90. (pura 4.83) g/cm3
En la Figura 6 se presenta un mineral de braunita
Figura 6. Braunita [17]
La braunita es producto del metamorfismo de óxidos y silicatos de Mn. Puede presentar
impurezas de Fe (hasta 10%) y en algunas ocasiones algo de Ba y B. Es débilmente
magnética y a veces se usa como mena de Mn.
30
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
En este capítulo se presenta la metodología aplicada para llevar a cabo la experimentación,
la cual incluye los materiales y equipos utilizados y los ensayos aplicados con el fin de
lograr los objetivos propuestos.
2.1 MATERIALES
Para la realización de las pruebas se utilizó una pasta cruda suministrada por el Grupo
Argos, Planta Cementos El Cairo, la cual fue tomada de una colada realizada por la
cementera.
Los minerales de adición empleados fueron:
Fluorita. Recibida de una mina ubicada en el departamento de Norte de Santander,
municipio de Ábrego.
Feldespato. Su origen es de la zona de Montebello, Antioquia.
Manganeso. Procede de la mina Las Frías, ubicada en la vereda Las Mercedes,
municipio de Santa Bárbara (Antioquia).
Se trabajó con la fluorita porque la literatura la ha reportado como uno de los mejores
mineralizadores y en Colombia se cuenta con yacimientos de este mineral; con el
feldespato, porque es un mineral muy abundante y, aunque no ha sido referenciado como
clinkerizador, se utiliza como fundente en la industria del vidrio y de la cerámica; y con el
manganeso porque también ha sido reportado en la literatura como mineralizador, es muy
abundante y existe un yacimiento de este mineral cerca de la cementera y por esta razón se
quería explorar su posible utilización. Estos materiales se emplearon tal como salen de la
mina, es decir, no sufrieron ningún proceso de refinamiento o de beneficio.
El yeso empleado es procedente de una mina ubicada en el municipio de Anzá (Antioquia),
el cual es distribuido por la Empresa Exman y fue entregado por la cementera para la
realización de este proyecto.
2.2 PROCEDIMIENTO PROPUESTO
El procedimiento propuesto se muestra en la Figura 7 con el diagrama de flujo, en él se
presentan las diferentes actividades realizadas, las herramientas utilizadas para llevarlas a
cabo y los productos obtenidos al ejecutar cada una de ellas.
31
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
PRODUCTO
INICIO
Seleccionar las materias primas
Pasta, Yeso,
Fluorita,
Feldespato,
Manganeso
Materiales seleccionados
para realizar la investigación
Caracterizar química y mineralógicamente las materias primas
XRF, DRX,
SEM
Materia prima caracterizada
Porcentajes de adición
definidos
Diseñar las mezclas
Definir temperatura de quema
DTA, DRX
Temperatura de quema
definida para los diferentes porcentajes de adición
Quemar muestras adicionadas
Horno de
lecho fijo
Clínker con diferentes
porcentajes de adición y
temperaturas de quema
Caracterizar mineralógicamente el
clínker obtenido
DRX, Óptica
Clínker obtenido caracterizado mineralógicamente
Fabricar cemento
Clínker Yeso
Molino
Cemento fabricado en el
laboratorio
Resistencia
Blaine
Cemento obtenido caracterizado física y mecánicamente
Caracterizar física, química y
mecánicamente el cemento obtenido
Información analizada
Analizar datos
Conclusiones y
recomendaciones
Concluir y recomendar
FIN
Figura 7. Diagrama de flujo
32
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
La primera actividad consistió en seleccionar la materia prima para la investigación, en este
caso se consideraron como materias primas la pasta cruda, ya dosificada y homogenizada,
usada en la producción del clínker de El Cairo; el yeso utilizado también por la cementera y
los mineralizadores propuestos (fluorita, feldespato y manganeso).
La actividad siguiente fue realizar la caracterización química y mineralógica de estas
materias primas. La de la pasta se hizo en el laboratorio de la cementera con fluorescencia
de rayos X. La caracterización de los mineralizadores propuestos se realizó mediante
difracción de rayos X, fluorescencia de rayos X y microscopía electrónica de barrido.
Se continuó con la actividad de diseñar las mezclas con el fin de encontrar el porcentaje
óptimo de adición de mineralizador de tal forma que se redujera al máximo la temperatura
de sinterización. Se establecieron los porcentajes de adición en 0,0%; 0,2%; 0,5%; 1,0%;
1,5% y 2,0%, detallando la zona entre 0,0% y 0,5% porque es un porcentaje que la
literatura ha reportado como significativo en este tipo de adiciones. Con la pasta cruda se
prepararon las muestras con los diferentes porcentajes de adición definidos y que se
muestran en la Tabla 5. Cada mezcla de pasta con adición se sometió a un calentamiento
desde la temperatura ambiente hasta 1450ºC para identificar la temperatura de formación de
las fases cristalinas del clínker. Para esto se utilizaron el análisis térmico diferencial y la
difracción de rayos X.
Tipo
Pasta cruda
Pasta cruda + Fluorita
Pasta cruda + Feldespato
Pasta cruda + Manganeso
0,0
X
Tabla 5. Porcentajes de adición
% de mineral
0,2
0,5
1,0
X
X
X
X
X
X
X
X
X
1,5
2,0
X
X
X
X
X
X
La siguiente actividad fue producir el clínker en el laboratorio; para lograrlo, se construyó
un horno de lecho fijo a gas, con capacidad de regular la temperatura hasta un valor
máximo de 1480ºC y de programar el tiempo para sostener la temperatura requerida. Como
ya se conocía la temperatura de formación de la alita para cada porcentaje de adición, se
procedió a quemar las muestras; una vez alcanzada la temperatura, ésta se sostuvo durante
45 minutos y luego las muestras se sacaron y se enfriaron al aire libre obteniendo así el
clínker.
Luego, se procedió a caracterizar cualitativa y cuantitativamente las fases mineralógicas del
clínker obtenido a través de la difracción de rayos X y la microscopía óptica.
Finalmente, se buscaba evaluar la incidencia que tenía la adición de los materiales
minerales sobre la calidad del cemento obtenido. Con el yeso y con el clínker preparado en
33
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
el laboratorio se elaboró cemento para evaluar algunas características físicas y mecánicas
(superficie específica Blaine, retenido malla 325 y desarrollo de las resistencias). Estas
características se analizaron en el laboratorio de la planta del El Cairo y se hicieron bajo las
especificaciones de las normas técnicas colombianas.
Con el ensayo de la Superficie específica Blaine, se buscaba medir la finura de las
partículas del cemento; este ensayo mide indirectamente el área superficial de las partículas
de cemento por unidad de masa y se realiza bajo las condiciones de las Normas Técnicas
Colombianas, NTC 33, “Determinación de la finura del cemento hidráulico por medio del
aparato Blaine de permeabilidad al aire” y la NTC 294, “Determinación de la finura del
cemento hidráulico sobre el tamiz de 45 µm”
El ensayo de Resistencia a la compresión, se realizó con el fin de determinar la resistencia
que tiene el cemento a los esfuerzos de compresión y se hizo a 2 edades de curado (7 días y
28 días) y cumpliendo con las condiciones de la Norma Técnica Colombiana NTC 220
“Ingeniería civil y arquitectura. Cementos. Determinación de la resistencia de morteros de
cemento hidráulico usando cubos de 50 mm o 50,8 mm de lado”.
Los resultados obtenidos en cada una de las actividades fueron analizados y finalmente se
sacaron las conclusiones obtenidas en la realización de este proyecto y las recomendaciones
sugeridas.
2.3 TÉCNICAS
MUESTRAS
DE
CARACTERIZACIÓN
Y
PREPARACIÓN
DE
LAS
En la industria del cemento Pórtland, conocer la caracterización de la materia prima, de los
productos intermedios y del producto final es de vital importancia tanto para el desarrollo
del proceso como para obtener un producto final que cumpla con las especificaciones
técnicas deseadas. El reconocimiento de las materias primas y la presencia de compuestos
minerales, inclusive en su formación, requiere que se utilice una serie de técnicas analíticas
tales como la difracción de rayos X, DRX; la fluorescencia de rayos X, XRF; el análisis
térmico diferencial, DTA; la microscopía electrónica de barrido, SEM y la microscopía
óptica, las cuales también ayudan a encontrar la solución de problemas ya sea en la
producción o en el uso. Estas técnicas exigen a su vez una preparación especial de las
muestras y unos equipos adecuados, los cuales se presentan a continuación:
2.3.1 Difracción de Rayos X (DRX). En una difracción de rayos-X de un cemento, se
pueden identificar algunos de los componentes cristalinos tales como C3S, C2S, C3A, C4AF,
CaO libre, MgO, etc. a partir del conocimiento de los picos característicos de las diferentes
fases minerales. En el proyecto esta técnica fue utilizada para caracterizar el yeso, los
mineralizadores empleados (fluorita, feldespato y braunita), las fases minerales de los
clínkeres obtenidos en el laboratorio y corroborar los resultados obtenidos en el análisis
térmico diferencial.
34
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Los análisis de DRX de las muestras de clínker se hicieron en el equipo de la Universidad
de Antioquia, el cual tiene las siguientes características: marca Rigaku Miniflex; fuente de
cobre; longitud de onda igual a 1,5418; barrido en 2 Theta de 8 a 150º, paso de 2º/ min a
1/2º min.
Las condiciones de análisis de las muestras fueron: velocidad de barrido de 2º/min,
intensidad 4000cps y 2θ entre 8 y 60º. El difractómetro utilizado se presenta en la Figura 8.
Figura 8. Difractómetro de Rayos X (DRX). Universidad de Antioquia
Para este análisis las muestras que se llevaron al laboratorio eran en polvo, con un tamaño
de grano pasante malla 200 y cada una en una cantidad de 20g.
2.3.2 Microscopía electrónica de barrido (SEM). Con esta técnica se obtiene una gran
cantidad de información; no sólo la morfología de los agregados minerales a escala de
micrómetro, sino también, sobre su composición química y sobre las variaciones químicas
dentro de un mismo mineral. Con este método se combina la posibilidad de obtener
imágenes de gran resolución con el análisis químico de pequeñas áreas del material.
En el proyecto esta técnica fue utilizada para caracterizar el yeso, la fluorita, el feldespato y
la braunita y determinar sus composiciones químicas. Las muestras que se llevaron al
laboratorio eran pulidas y en polvo, en una cantidad aproximada de 25g por material
analizado. Cada una fue recubierta con oro para obtener una superficie conductora.
El equipo utilizado fue el de la Universidad Nacional, el cual es un microscopio JEOL
JSM-5910LV que cuenta con una capacidad de 19X hasta 300.000X; con analizador
cuantitativo y cualitativo para análisis químico. Este equipo se muestra en la Figura 9.
35
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Figura 9. Microscopio Electrónico de Barrido (SEM). Universidad Nacional
En este proyecto se hicieron análisis con detectores de rayos X para microanálisis químico
cualitativo EDS (análisis por dispersión de energía) y cuantitativo WDS (análisis por
dispersión de longitud de onda).
2.3.3. Fluorescencia de rayos X (XRF). Esta técnica permite medir la composición
elemental de una sustancia y determinar una gran cantidad de elementos de la Tabla
Periódica en muestras de formas y naturalezas diversas: sólidos, líquidos, polvos,
materiales conductores y no conductores, etc. Los materiales analizados generalmente son
vidrios, plásticos, aceites, todos los metales, minerales, refractarios, cementos y materiales
geológicos. En la industria del cemento, esta técnica es muy útil no sólo para encontrar la
composición química sino también para determinar el estado cristalográfico de ciertos
elementos presentes en la prueba, por ejemplo la cal libre y la caliza en el cemento o los
diversos estados de óxidos de aluminio.
En este proyecto, la fluorescencia de rayos X se utilizó para caracterizar la pasta cruda y el
yeso; las muestras eran en polvo con un tamaño de grano menor de 90µm. El equipo
pertenece a El Cairo (Figura 10), es un instrumento ARL 9800 XP ARL con las siguientes
características:
Potencia (ordenador comprendido): 7 kVA kVA
Tensión (1 o 2 fases): 230 V -15% +10%
Neutro: 0 V con relación a la tierra
Tierra: < 2 ∧
Frecuencia: 50 Hz o 60 Hz ± 1
Cortes de corriente: < 10 ms a 50 Hz
36
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Figura 10. Equipo de Fluorescencia de rayos X, XRF
2.3.4 Análisis térmico diferencial (DTA). Los análisis térmicos sirven para estudiar el
comportamiento del crudo cuando es sometido en el horno a un tratamiento de temperatura
programada. En estos se observan los efectos producidos por la deshidratación,
deshidroxilaciones, descarbonataciones (disociación térmica del CaCO3), las reacciones de
formación de los compuestos, las fusiones de compuestos, la solidificación de la fase
líquida que se forma en el transcurso del calentamiento, etc.
Con el análisis diferencial térmico (DTA) se hizo el estudio de las fases formadas en el
clínker al someter a un crudo a un proceso de calentamiento desde la temperatura ambiente
hasta una temperatura máxima de 1450ºC y se determinaron el pico endotérmico que está
relacionado con la descarbonatación y los picos exotérmicos correspondientes a la
formación de la belita y de la alita.
En este proyecto se prepararon trece muestras, cada una en una cantidad aproximada de
25g, en polvo con tamaño de grano pasante malla 200 y con las siguientes características:
una con pasta sin adición, cuatro con pasta más fluorita; cuatro con pasta más feldespato; y
cuatro con pasta más manganeso.
Se hicieron pruebas en los equipos de la Universidad de Antioquia y de la Universidad
Nacional, los cuales se muestran en la Figura 11. Para estos análisis se tuvieron en cuenta
las siguientes condiciones:
37
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Atmósfera: Oxígeno.
Intervalos de interés: presentados en la Tabla 6
Tabla 6. Intervalos de trabajo para el DTA
Intervalos de calentamiento
Velocidad (°C/min).
(°C)
100-1000
15
1000-1450
10
b) Universidad Nacional
a) Universidad de Antioquia
Figura 11. Analizador Térmico Diferencial (DTA).
El equipo de la Universidad de Antioquia es un analizador Térmico Diferencial (DTA,
DSC); Analizador Termogravimétrico (TGA); marca: T.A. INSTRUMENTS; modelo
DTA:1600 DTA; Modelo DSC: DSC2920; Modelo TGA: Hi-ResTGA2950; número de
serie DTA: 16DTA-1022; Número de serie DSC: 2920-511; Número de serie TGA: H2950548. Portamuestra de Platino.
El equipo de la Universidad Nacional es una balanza de Análisis simultáneo STA 409 de
Marca Netzsch. Los crisoles utilizados son de alfa-alúmina para contener la muestra, los
cuales son cilindros circulares con aproximadamente 6mm de diámetro por 6 mm de altura
y se usa un lid (tapa) con una perforación en el centro para garantizar el contacto muestraatmósfera.
2.3.5 Producción del clínker en el horno. Para la realización de este proceso se utilizó
un horno de lecho fijo fabricado especialmente para este proyecto por Industrias Terrígeno.
El horno se muestra en la Figura 12.
El horno presenta las siguientes características:
38
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Combustible: gas propano.
Medidas interiores: ancho: 40cm; alto: 20cm y profundidad: 44cm con un acabado de
ladrillo refractario.
Medidas exteriores. Ancho: 96 cm; alto: 76 cm y profundidad: 82cm con un acabado
exterior de lámina cold rolled y pintura tipo laca.
Volumen interno. 35.200 cm3
Potencia. 79,13 MJ/h (75.000 Btu/h) por quemador. Tiene cuatro quemadores de alta
presión.
Termocupla tipo S con cable de compensación y resistente hasta 1700ºC.
Presión de trabajo. 0,207 – 0,552 bar (3 – 8 psi)
Figura 12. Horno a gas de lecho fijo
La curva de calentamiento del horno, entregada por el fabricante del horno, se presenta en
la Figura 13. En esta gráfica se observa que el horno alcanza rápidamente una temperatura
39
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
de 1000 ºC (más o menos 30 minutos) y se demora aproximadamente 5 horas para alcanzar
una temperatura de 1450ºC que es el valor máximo utilizado.
Figura 13. Curva de calentamiento del horno
También, se utilizó un recipiente especial para quemar las muestras en el horno, el cual fue
fabricado en la empresa Refractarios Vulcano Ltda. con una masa de referencia Vulca SD
que es a base de arcillas refractarias y chamote refractario (arcilla calcinada). El crisol
tiene forma cilíndrica, con diámetro interior de 27cm y profundidad 12,5cm. El crisol se
presenta en la Figura 14.
40
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Figura 14. Crisol
Con todos los materiales, pasta cruda y minerales, se prepararon las composiciones con los
diferentes porcentajes de adición y se llevó a cabo la producción de clínker con cada
muestra. Para realizar el proyecto se utilizaron 50 kilos de pasta cuya composición está
especificada en la Tabla 10 del capítulo 3.
La pasta sin adición en polvo se humedeció para hacer esferas de aproximadamente 3cm de
diámetro; las esferas se organizaron en el crisol y se llevaron al horno hasta alcanzar una
temperatura de 1450ºC, tal como se observa en la Figura 15, permaneciendo en esta
temperatura durante 45 minutos, al cabo de la cual se retiró el crisol del horno y se dejó al
aire libre hasta que se enfriara. Se tomaron 2,2 kilos para hacer las pruebas requeridas en el
laboratorio en las proporciones de pasta y adición que se muestran en la Tabla 7.
Figura 15. Muestra llevada al horno
41
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Para determinar la temperatura del horno, la cual también se presenta en la Tabla 7, se tomó
como referencia el punto de formación de la alita de acuerdo con los análisis de DTA más
20ºC. El tiempo de residencia de la muestra en el horno después de alcanzada la
temperatura se fijó inicialmente en 30 minutos pero luego, sabiendo que el proceso en un
horno rotativo dura aproximadamente 45 minutos, se aumentó hasta este valor, lo cual tuvo
incidencia en el grado de cristalinidad y la cantidad de las fases minerales como se verá
más adelante.
Tabla 7. Preparación de las muestras que se llevaron al horno
Pasta
(kilos)
1,3000
2,2000
1,6966
2,1956
2,1890
2,1890
2,1780
1,6745
2,1670
2,1560
2,1956
2,1890
2,1780
2,1670
2,1560
1,6966
2,1890
2,1890
2,1780
1,6745
1,6660
Adición
Fluorita
%
Peso (kilos)
0,2
3,40x10-3
0,2
4,40x10-3
0,5
1,10x10-2
0,5
1,10x10-2
1,0
2,20x10-2
1,5
2,55x10-2
1,5
3,30x10-2
2,0
4,40x10-2
Feldespato
%
Peso (kilos)
0,2
4,40x10-3
0,5
1,10x10-2
1,0
2,20x10-2
1,5
3,30x10-2
2,0
4,40x10-2
Manganeso
%
Peso (kilos)
0,2
3,40x10-3
0,5
1,10x10-2
0,5
1,10x10-2
1,0
2,20x10-2
1,5
2,55x10-2
2,0
3,40x10-2
Peso muestra
seca (pasta + Temperatura
Horno (ºC)
adición)
(kilos)
1,3
1450
2,2
1450
Tiempo residencia
después alcanzada
la temperatura
(min)
30
45
Peso del
clínker
(kilos)
0,73573
1,36013
1,7
2,2
2,2
2,2
2,2
1,7
2,2
2,2
1321
1321
1320
1370
1301
1318
1318
1315
30
45
45
60
45
30
45
45
1,05208
1,37626
1,35312
1,37474
1,35112
1,02565
1,39137
1,40222
2,2
2,2
2,2
2,2
2,2
1388
1320
1311
1302
1306
45
45
45
45
45
1,37014
1,40355
1,37241
1,39880
1,40604
1,7
2,2
2,2
2,2
1,7
1,7
1304
1310
1360
1310
1310
1371
30
45
60
45
30
30
0,99052
1,36817
1,35262
1,38510
1,01714
1,01903
Como se observa en la Tabla 7 algunas muestras se repitieron, este es el caso de la pasta sin
adición, y las adiciones de 0,2% y 1,5% de fluorita en las que la primera muestra fue para
un tiempo de residencia en el horno de 30 minutos y la segunda muestra para un tiempo de
45 minutos. La adición de 0,5% de fluorita, que es el porcentaje de adición que más se
reporta en la literatura y la adición de 0,5% de manganeso también presentan dos muestras
pero una para un tiempo de residencia de 45 minutos y la segunda para 60 minutos con el
fin de analizar qué pasaba con éstas al aumentar este tiempo.
42
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Por otro lado, para validar los resultados del DTA, se quiso corroborar las decisiones
tomadas del valor de temperatura para producir el clínker utilizando la técnica del DRX.
Por ésto se tomaron tres muestras, una con adición de fluorita al 0,5%, una con adición de
feldespato al 0,2% y otra con adición de manganeso al 0,5%, se escogieron tres
temperaturas, una antes de la formación de la belita, la segunda para un valor que se
consideró estuviera entre la formación de la belita y de la alita y la última temperatura para
un valor después de formada la alita. Ésto, con el fin de determinar cuáles componentes se
habían formado cuando la muestra llegaba a cada una de esas temperaturas y así corroborar
si la temperatura que se había elegido finalmente para la fabricación del clínker había sido
la adecuada. En la Tabla 8 se muestran los valores elegidos para cada una de las muestras.
El procedimiento que se hizo para cada muestra fue el mismo utilizado anteriormente; con
cada muestra se prepararon las esferas, las cuales fueron llevadas al horno a la temperatura
señalada en la Tabla 8; una vez alcanzada dicha temperatura cada muestra tuvo un tiempo
de residencia en el horno de 45 minutos; luego el clínker se enfrió a temperatura ambiente,
fue molido y de aquí se tomó la muestra para aplicar la técnica de DRX.
Tabla 8. Temperaturas y tiempo de horneo
Muestra
Pasta + fluorita 0,5%
Pasta + feldespato 0,2%
Pasta + manganeso 0,5%
Peso (kilos)
0,9
0,9
0,9
0,9
0,9
0,9
0,9
0,9
0,9
Temperatura
(ºC)
1120 *
1180 **
1340 ***
1150 *
1240 **
1400 ***
1150 *
1230 **
1330 ***
Tiempo duración
en el horno (min)
45
45
45
45
45
45
45
45
45
* Temperatura antes de formación de la belita
** Temperatura entre la formación de la belita y de la alita
*** Temperatura después de la formación de la alita
2.3.6 Microscopía óptica con luz reflejada. Es una técnica muy útil para el diagnóstico y
la solución de problemas relacionados con la tecnología del cemento. El microscopio de
luz reflejada permite observar muestras opacas, iluminadas desde encima con aumentos
entre 50x y 400x, la muestra debe tener una superficie plana y pulida. Entre las
aplicaciones de esta técnica están la evaluación y el control de varios parámetros del
proceso de clinkerización (temperatura y tiempo de quemado, velocidad de calentamiento y
enfriamiento, porosidad, cantidad del C3S, cal libre y otras fases, condiciones reductoras en
el horno, efecto de álcalis), la identificación de los parámetros de operación del horno, los
problemas de horneado, la atmósfera del horno, entre otros [33].
En este proyecto esta técnica se utilizó para analizar la cantidad de los minerales del
clínker, alita, belita, celita, felita, cal libre y periclasa, a través de un sistema de conteo de
puntos.
43
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
La microscopía óptica de luz reflejada se realizó en un equipo marca Leitz con un objetivo
de 20X. Este equipo pertenece a la Universidad Nacional y se muestra en la Figura 16.
Figura 16. Microscopio Petrográfico.
En la preparación de las muestras, para analizar en el microscopio petrográfico, se procedió
de la siguiente forma: El clínker obtenido en el horno se redujo de tamaño, triturándolo en
un molino de mandíbulas y se tamizó utilizando el pasante de la malla #8 (2,36mm) y el
retenido en la malla #20 (0,8mm) y luego se elaboraron las secciones pulidas, las cuales se
atacaron con vapor de ácido fluorhídrico (HF) con el fin de teñir y así poder diferenciar más
fácilmente los minerales del clínker, así la alita se colorea de marrón, la belita en azul, la
celita en gris, la felita en blanco y la cal libre en negro. La resina toma un color gris pero
ésta no se tiene en cuenta en el conteo. Después de atacados los pulidos y montados en el
microscopio petrográfico, con un objetivo de 20x (200 aumentos), se efectuó el conteo de
2000 puntos identificando las fases minerales principales [22].
Una vez realizado el conteo de puntos, se calcularon los porcentajes volumétricos de cada
uno de los componentes analizados, utilizando para esto las siguientes relaciones [6]:
Alita (%) =
# puntos (alita) × ρ (alita)
× 100
∑{# puntos(c/mineral) × ρ (c/mineral)}
Belita (%) =
# puntos (belita) × ρ (belita)
× 100
∑{# puntos(c/mineral) × ρ (c/mineral)}
Celita (%) =
# puntos (celita) × ρ (celita)
× 100
∑{# puntos(c/mineral) × ρ (c/mineral)}
Felita (%) =
# puntos (felita) × ρ (felita)
×100
∑{# puntos(c/mineral) × ρ (c/mineral)}
Cal libre (%) =
# puntos (cal libre) × ρ (cal libre)
×100
∑{# puntos(c/mineral) × ρ (c/mineral)}
Periclasa (%) =
# puntos (periclasa) × ρ (periclasa)
×100
∑{# puntos(c/mineral) × ρ (c/mineral)}
44
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Donde ρ es la densidad volumétrica de cada mineral; sus valores están dados en la Tabla 9:
Tabla 9. Densidades volumétricas de los minerales del clínker [22]
Densidad volumétrica,
Mineral
ρ
(kg/m3)
Alita
3,20
Belita
3,28
Celita
3,04
Felita
3,77
Cal libre
3,30
Periclasa
3,30
2.3.7 Preparación y ensayos del cemento. Con el yeso utilizado por la cementera y con
el clínker preparado en el laboratorio se elaboró cemento para evaluar algunas
características físicas y mecánicas (superficie específica Blaine, retenido malla 325 y
desarrollo de las resistencias). Estas características se analizaron en el laboratorio de la
planta El Cairo y se utilizaron los equipos presentados en la Figuras 17 y 18.
Figura 17. Aparato Blaine
Figura 18. Prensa
2.3.7.1 Finura de molido. En los materiales en polvo, el conocimiento de área específica
es de suma importancia, ya que de ella dependerá su actividad fisicoquímica y además es
una medida indirecta de su tamaño de partícula y por ende de su energía superficial [46].
Esta característica del cemento está ligada la velocidad de las reacciones químicas que se
presentan durante el fraguado y primer endurecimiento. Cuando el cemento entra en
contacto con el agua, sus granos se hidratan sólo en una profundidad de 0,01mm, si estos
45
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
granos son muy gruesos, su interior permanecería inerte y por lo tanto, el rendimiento no
sería el adecuado; y si los granos son muy finos, la retracción y el calor de fraguado serían
muy altos, el conglomerante podría estar sujeto a la meteorización luego de un
almacenamiento prolongado y disminuye su resistencia a las aguas agresivas. Por lo tanto,
el cemento debe estar finamente molido pero no en exceso. [25]
Para la determinación de la finura de molido existen varios métodos de ensayo siendo el
más conocido el de la superficie específica Blaine. Consiste en determinar la superficie de
un gramo de cemento cuyas partículas estuviesen totalmente sueltas, expresándose en
centímetros cuadrados. El ensayo consiste en hacer pasar una cantidad determinada de aire
a través de una capa de cemento de porosidad definida. La cantidad y el tamaño de los
poros existentes en dicha capa, son función del tamaño de las partículas y determinan el
gasto del aire a través de la capa [29]. Las normas técnicas colombianas utilizadas para
realizar este ensayo fueron la NTC 33, “Determinación de la finura del cemento hidráulico
por medio del aparato Blaine de permeabilidad al aire” y la NTC 294, “Determinación de la
finura del cemento hidráulico sobre el tamiz 45 µm (No. 325)”.
La superficie específica Blaine de los distintos cementos está comprendida, generalmente,
entre 250 y 400 m2/kg. Sin embargo, de acuerdo con la norma técnica colombiana, NTC
121 “Ingeniería Civil y Arquitectura. Cemento Pórtland. Especificaciones físicas y
mecánicas”, el valor mínimo de finura, ensayo por medio de permeabilidad al aire mínimo
para un cemento debe ser 280m2/kg.
2.3.7.2 Resistencia mecánica. La resistencia mecánica de un hormigón será tanto mayor
cuanto mayor sea la del cemento empleado. Por esto, la resistencia es una de las
propiedades más importante para juzgar la calidad de un cemento. Como resistencia de un
cemento se entiende la de un mortero normalizado, amasado con arena de características y
granulometría determinadas, con una relación agua/cemento, en las condiciones que
especifica la norma técnica. Las probetas son prismáticas, las cuales se rompen primero a
flexotracción con carga centrada y luego, cada uno de los trozos resultantes, se rompe a
compresión. Se mide a diferentes edades normalmente a 1, 3, 7, 14, 21 y 28 días después de
preparado, en este caso se hizo a 7 y a 28 días. En el ensayo de resistencia intervienen
todos los compuestos pero como los áridos (arena de Otawa) y el agua están
estandarizados, lo que se está midiendo es el control que sobre la resistencia tiene el tipo de
cemento empleado [44] y [24].
La resistencia depende de factores como: distribución cuantitativa de los minerales del
clínker especialmente el C3S y el C2S, presencia de componentes menores, cal libre,
contenido de yeso, finura de la molienda, prehidratación de los minerales, proporción de la
mezcla (cemento, árido, agua y adiciones) y condiciones de humedad [44]. La norma
técnica bajo la cual se realizaron los ensayos de resistencia fue la NTC 220, la cual tiene
por objeto establecer el método para determinar la resistencia a la compresión de los
morteros de cemento hidráulico usando cubos de 50 mm de lado.
46
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
3. RESULTADOS OBTENIDOS, ANÁLISIS Y DISCUSIÓN
En este capítulo se presentan los resultados obtenidos al adicionar la fluorita, el feldespato
y la braunita en la producción del clínker; adicionalmente, se hace el análisis de estos
resultados y su discusión.
3.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES
En la metodología propuesta, el primer paso fue caracterizar los materiales utilizados en el
proyecto mediante diferentes técnicas, los resultados obtenidos se presentan a continuación:
3.1.1 Caracterización de la pasta cruda. En la planta cementera El Cairo del Grupo
Argos se tomó una muestra de la pasta cruda utilizada en su proceso productivo normal con
la cual se realizó este proyecto. Para su caracterización química se utilizó fluorescencia de
rayos X y los resultados se presentan en la Tabla 10.
Tabla 10. Composición de la pasta utilizada
componente
%
CaCO3
79,57
CaO
45,20
MgO
1,26
SiO2
12,07
Fe2O3
2,13
Al2O3
3,17
%Retenido en malla 200: 14.94
MS
MA
LFS
2,28
1,49
111,99
La pasta recibida tiene un módulo de sílice, MS igual a 2,28, lo cual indica que el contenido
de sílice es medio; un módulo de alúmina, MA igual a 1,49, que está dentro de los límites
pero tiende a ser bajo lo que puede indicar que sea una pasta difícil de quemar y una
saturación de cal, LSF igual a 111,99, que es un valor alto y puede generar problemas de
cal libre.
3.1.2 Caracterización del yeso. En la empresa cementera se hizo un análisis
semicuantitativo de los elementos que conforman el yeso utilizado en este proyecto. Los
datos obtenidos se presentan en la Tabla 11.
Tabla 11. Composición del yeso
ANALISIS QUIMICOS ARL (%)
componente
%
SiO2
20,12
Al2O3
8,92
Fe2O3
1,68
CaO
19,45
MgO
6,48
47
SO3
33,89
K 2O
0,97
PxC
13,5
Humedad
1,62
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Además del análisis anterior se hizo una difracción de rayos X; el difractograma obtenido y
que se presenta en la Figura 19, muestra unos picos que se ajustan al DRX teórico del yeso,
el cual tiene picos representativos para valores de 2θ iguales a 11,72; 20,82; 23,56; 25,14 y
29,29 [7]. El cuarzo se identificó en el difractograma por la aparición de su pico principal
en 26,65 y porque el análisis químico indica su presencia.
Y
11.139
4000
YESO
Y: Yeso
Q: Cuarzo
3500
3000
2000
Y
1500
25.059
Intensidad, cps
2500
1000
Q?
Y
Y
Y
500
Q?
0
-500
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
2θ
Figura 19. Difracción de rayos X del yeso
Igualmente, se le hizo análisis con microscopía electrónica de barrido, SEM/EDS, en el
cual, luego de analizar cuatro puntos específicos de la muestra, se encontraron como
elementos constitutivos oxígeno, silicio, magnesio, aluminio, hierro, calcio, azufre y
potasio, corroborando la presencia del cuarzo y en general, la composición obtenida en el
análisis semicuantitativo. Los resultados de esta técnica se presentan en la Figura 20.
48
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Punto 1
Elemento
O
Mg
Al
Si
Ca
Fe
%Peso
42.92
14.22
16.91
21.77
0.43
3.74
Punto 2
% atómico
56.51
12.32
13.20
16.33
0.23
1.41
Elemento
O
Si
%Peso
43.59
56.41
% atómico
57.57
42.43
Cuarzo
Aluminosilicato de Mg, Ca, Fe
Punto 4
Punto 3
Elemento
O
S
Ca
%Peso
43.99
23.38
32.63
Elemento
O
Mg
Al
Si
S
Ca
Fe
% atómico
64.05
16.99
18.96
Yeso
%Peso
40.93
8.63
11.57
25.80
3.01
7.66
2.40
% atómico
55.75
7.73
9.35
20.02
2.05
4.17
0.94
Aluminosilicato de Mg, Ca, Fe
Figura 20. Caracterización del yeso. SEM/EDS
49
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
3.1.3 Caracterización de la fluorita. La fluorita utilizada en este proyecto fue
suministrada por Cementos Nare, su procedencia es una mina ubicada en el municipio de
Abrego (Norte de Santander, Colombia); inicialmente se tenía un análisis con su contenido
de CaF2, SiO2, y pérdidas por ignición. Específicamente no tenían un análisis mineralógico
de la muestra pero si del lote del que provino ésta y que correspondía a varios viajes. Los
datos se registran en la Tabla 12.
Tabla 12. Composición de la Fluorita
CaF2
SiO2
Pérdidas por ignición
Máximo
71,92
16,22
4,35
Mínimo
66,01
9,99
3,62
Promedio
69,52
12,21
4.,03
Contenido de Al2O3 de este material es del orden de 3%.
A la fluorita suministrada también se le hizo un análisis de difracción de rayos X y se
obtuvo el difractograma presentado en la Figura 21.
28.039
CaF2 - SiO2
3500
Fluorita
60°
3000
2500
CaF2 - SiO2
1500
SiO2 - BaSO4
500
CaF2
55.6
1000
46.84
SiO2 - BaSO4
20.579
Intensidad, cps
2000
0
-500
10
20
30
40
2θ
Figura 21. Difracción de rayos X de la Fluorita.
50
50
60
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Como se observa, este difractograma muestra unos picos que se ajustan al DRX teórico de
la fluorita, CaF2, la cual tiene picos representativos para valores de 2θ iguales a 28,29;
47,05 y 55,81; de la sílice, SiO2, con valores teóricos de 2θ iguales a 28,05 y 46,87 y
además tiene contenido de barita, BaSO4, cuyos valores teóricos de 2θ son 20,47 y 28,76
[7].
Además, se le hizo análisis con microscopía electrónica de barrido, SEM/EDS en tres
puntos y SEM/WDS en un sector, obteniendo los resultados presentados en las Figuras 22 y
23. Con esta técnica se corrobora que es una fluorita contaminada con cuarzo y baritina.
Punto 1
Elemento
O
F
Si
S
Ca
Sr
Ba
%Peso
17.42
-0.98
-0.06
13.20
1.17
2.65
66.60
%Atómico
54.68
-2.60
-0.11
20.68
1.47
1.52
24.35
Baritina: BaSO4
Punto 2
Elemento
F
Ca
%Peso
40.17
59.83
%Atómico
58.61
41.39
Fluorita: CaF2
Punto 3
Elemento
O
Si
Ca
%Peso
46.52
52.70
0.78
%Atómico
60.53
39.06
0.40
Cuarzo: SiO2
Figura 22. Caracterización de la Fluorita. SEM/EDS.
51
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
% Peso
% Atómico
44,91
0,23
0,13
3,65
22,88
1,08
4,06
14,41
0,46
0,34
4,84
64,78
0,23
0,12
3,12
18,80
0,78
2,40
8,30
0,19
0,12
0,81
BaSO4
CaF2
Elemento
O
Na
Mg
Al
Si
S
K
Ca
Fe
Cu
Ba
CaF2
BaSO4
CaF2
CaF2
BaSO4
SiO2
SiO2
SiO2
CaF2
SiO2
CaF2 BaSO4
Figura 23. Caracterización de la Fluorita. SEM/WDS.
Los resultados obtenidos con el SEM/EDS y SEM/WDS corroboran la información
suministrada por el análisis químico cuya composición principal es fluorita, cuarzo y barita
como se observa en el difractograma de rayos X de la Figura 21.
3.1.4 Caracterización del feldespato. El feldespato utilizado en el proyecto fue
suministrado por la empresa Sumicol y procede de Montebello (Antioquia). Sumicol
realizó el análisis químico y su composición mineralógica presentados en las Tablas 13 y
14 respectivamente.
52
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Tabla 13. Composición química del Feldespato
Composición química por óxidos
% por peso
SiO2
74,0 ± 2,0
Al2O3
15,0 ± 1,5
Fe2O3
0,7 ± 0,2
TiO2
< 0,2 %
CaO
< 0,5
MgO
< 0,5
Na2O
3,16 ± 0,6
K 2O
4,8 ± 1,0
Pérdidas por ignición (110ºC-1000ºC) 1,03 ± 0,3
Tabla 14. Composición mineralógica de Feldespato
Mineral
%
Feldespato potásico
19,5
Feldespato sódico
34,0
Feldespato cálcico
1,8
Cuarzo
33,0
Mica potásica
11,7
En el análisis de su composición mineralógica, se tiene que macroscópicamente, el
feldespato es una roca masiva, de textura fanerítica halocristalina muy gruesa
(Pegmatítica). Los minerales en orden de abundancia son: feldespato, cuarzo, moscovita y
óxidos de hierro producto de la alteración de ferromagnesianos. Con la composición de la
Tabla 14 se puede determinar que en el depósito hay una combinación de minerales.
El color del feldespato es de blanco cremoso a gris, los cristales alcanzan tres o más
centímetros de largo; el cuarzo es anhedral y se presenta en intercrecimientos con el
feldespato o libre, hialino; la moscovita es transparente, se encuentra en agregados
columnares, las hojas alcanzan hasta cuatro centímetros de diámetro; los óxidos
predominantes son de color amarillo (Limonita) y se encuentran rellenando grietas y planos
de fracturamiento.
Para caracterizar el feldespato también se utilizó la técnica del DRX; en este análisis se
encontró que los picos más importantes coincidieron con los picos teóricos del feldespato
potásico y feldespato sódico los cuales tienen valores para 2θ iguales a 13,41; 21,17; 27,01;
27,19; 27,52; 29,83; 42,55 y 50, 68; y con el cuarzo cuyos picos característicos tienen un
valor de 2θ iguales a 42,47 y 50,17 [5]. Este resultado se puede observar en la Figura 24.
Además, se utilizó la técnica SEM/EDS en tres puntos y SEM/WDS en un sector, cuyos
resultados se muestran en las Figuras 25 y 26.
53
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
3400
26.419
Feldespato
(Ba, K, Na)
SiO2
3600
F1
2°/min
4000 cps
60°
3200
Feldespato
(Ba, K, Na)
3000
2800
2600
2400
Intensidad, cps
2200
2000
Feldespato
(Ba, K, Na)
SiO2
1800
1600
1400
Feldespato
(Ba, K, Na)
SiO2
Feldespato
(Ba, K, Na)
1200
42.32
400
23.319
8.559
600
13.619
800
50.02
20.619
1000
200
0
-200
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
2θ
Figura 24. Difracción de rayos X del Feldespato
Punto 1
Elemento
C
O
Al
Si
K
%Peso
1.96
31.18
6.10
53.12
7.65
Punto 3
Punto 2
%Atómico
3.68
44.05
5.11
42.75
4.42
Elemento
C
O
Na
Al
Si
%Peso
46.04
35.31
1.89
3.45
13.31
%Atómico
57.01
32.82
1.22
1.90
7.05
Elemento
C
O
Si
Fe
Figura 25. Caracterización del Feldespato. SEM/EDS.
54
%Peso
3.66
50.90
42.48
2.96
%Atómico
6.03
62.98
29.94
1.05
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Elemento
% Peso
46,23
% atóm.
64,85
1,49
5,51
32,45
2,80
0,43
0,56
10,52
1,46
4,59
25,93
1,61
0,17
0,20
1,20
Al, K,O2
Al, K,O2
O
Na
Al
Si
K
Fe
Cu
Au
SiO2
Al, K,O2
Si,O2
Si,O2
Si,O2
Si,O2
Figura 26. Caracterización del Feldespato. SEM/WDS.
Con las técnicas SEM/EDS y SEM/WDS, se encontró que los puntos analizados estaban
compuestos por oxígeno, aluminio, sodio, potasio, silicio, lo cual confirma el análisis
mineralógico entregado por la empresa que suministró este material y el análisis del DRX
realizado.
3.1.5 Caracterización del manganeso. El manganeso utilizado en el proyecto procede de
la mina La Frías, ubicada en la vereda Las Mercedes, municipio de Santa Bárbara
(Antioquia). Para caracterizar el manganeso se utilizaron los métodos de DRX, y de
55
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
SEM/EDS en tres puntos y SEM/WDS en un sector, cuyos resultados se muestran en las
Figuras 27, 28 y 29.
Braunita
Braunita
Braunita
Braunita
Braunita
Figura 27. Difracción de rayos X del manganeso.
En este análisis se encontró que los picos presentados coinciden con los picos teóricos de la
braunita, Ca,Fe,Ca0,92[Mn11,72Fe2,34]Si1,12O24, los cuales tiene un valor característico de 2θ
iguales a 25,50; 32,99; 38,17; 55,34 y 65,72 [7]; la presencia de estos componentes también
se corroboró utilizando las técnicas de SEM/EDS y SEM/WDS.
56
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Punto 1
Elemento
C
O
Al
Si
Ca
Mn
Cu
Ba
%Peso
2.13
33.81
0.74
0.81
0.65
45.93
5.80
10.14
Punto 2
%Atómico
5.26
62.82
0.81
0.86
0.48
24.86
2.71
2.19
Elemento
C
O
Si
Ca
Mn
Cu
%Peso
3.14
25.36
4.54
1.00
61.81
4.16
Punto 3
%Atómico
8.10
49.18
5.02
0.77
34.90
2.03
Elemento
C
O
Si
S
Ca
Mn
Cu
Ba
Figura 28. Caracterización del manganeso. SEM/EDS.
Si, O, Mn
O, Ba
O, Ba
Si, O, Mn
O, Ba
Si, O
O, Ba
Figura 29. Caracterización del Manganeso. SEM/WDS.
57
%Peso
3.27
33.94
5.67
6.10
0.85
19.16
1.69
29.31
%Atómico
8.03
62.47
5.94
5.60
0.63
10.27
0.78
6.28
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Con las técnicas SEM/EDS y SEM/WDS se encontró que este mineral estaba conformado
por oxígeno, silicio, manganeso, carbono y bario. Al iniciar la investigación, se creía que el
producto utilizado era un óxido de manganeso o pirolusita que es el mineral reportado en la
literatura como mineralizador, sin embargo, con el análisis de caracterización de este
mineral se llegó a la conclusión de que éste era un silicato de manganeso conocido con el
nombre de braunita.
Como se puede observar, los minerales escogidos en esta investigación como adiciones en
la producción del clínker no son puros sino que los tres tienen contaminantes. En la fluorita
y el manganeso se encontró barita, lo cual es bueno porque puede ayudar al proceso pues es
reconocida como fundente. Sin embargo, también se encontró en los tres minerales,
contenido de cuarzo el cual no es fundente sino que al contrario eleva la temperatura de
fusión.
3.2 RESULTADOS DE LA SELECCIÓN DE LAS TEMPERATURAS DE QUEMA
Para el estudio de las fases formadas en el clínker al someter a un crudo a diversos
tratamientos térmicos hasta una temperatura máxima de 1450ºC se utilizó la técnica del
DTA. Se hicieron los ensayos en los equipos de la Universidad de Antioquia y en el de la
Universidad Nacional pero se escogieron los resultados de esta última como puntos de
referencia para la temperatura del horno porque se consideró que los puntos de temperatura
donde se formaron la alita y la belita eran más claros. El resumen de los resultados
obtenidos se presenta en la Tabla 15 y en las Figuras 30 a 32 se hace una comparación de la
pasta sin adición (parte inferior) con la pasta adicionada (el porcentaje de adición aumenta
desde abajo hacia arriba); y en las Figuras 33 a 35 se presenta el resultado para la pasta con
adición de 0,5% de fluorita, 1,0% de feldespato y de 0,2% manganeso; en el Anexo 1 se
presenta el resultado del DTA de cada una de las muestras analizadas.
Tabla 15. Resultados del DTA
Pasta
Descarbonatación (ºC)
Pasta sin adición
840,90
Fluorita 0,2%
861,60
Fluorita 0,5%
837,70
Fluorita 1,5%
880,70
Fluorita 2,0%
824,10
Feldespato 0,2%
841,80
Feldespato 0,5%
850,20
Feldespato 1,5%
834,00
Feldespato 2,0%
837,30
Manganeso 0,2%
822,30
Manganeso 0,5%
855,50
Manganeso 1,5%
884,60
Manganeso 2,0%
877,60
*S.I. Sin identificar
** En este caso se asumió un valor de 1299,8ºC
58
Belita (ºC)
Alita (ºC)
*S.I.
S.I.
1147,50
1171,90
1142,60
1192,80
1210,60
1183,90
S.I.
1174,70
1185,20
1209,00
1201,00
1362,00
1349,6
1294,40
1298,40
1291,60
1368,10
S.I.(**)
1281,80
1285,50
1283,90
1281,70
1290,00
1351,00
DSC/(uV/mg)
-2
-1 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
200
600
Temperatura/ºC
800
59
Figura 30. Curva DTA para la Fluorita
400
Zona de
descarbonatación
DTA Adición de Fluorita
1000
1200
Zona
formación
de Belita
1400
Zona
formación
de Alita
Fluorita 2,0%
Fluorita 1,5%
Fluorita 0,5%
Fluorita 0,2%
Sin adición
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DSC/(uV/mg)
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0
200
400
Temperatura/ºC
800
1000
60
Figura 31. Curva DTA para el Feldespato
600
Zona de
descarbonatación
DTA Adición con Feldespato
1200
1400
Zona
formación
de Belita
Zona
formación
de Alita
Feldespato 2,0%
Feldespato 1,5%
Feldespato 0,5%
Feldespato 0,2%
Sin adición
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DSC/(uV/mg)
-2
0
2
4
6
8
10
12
0
200
600
Temperatura/ºC
800
1000
61
Figura 32. Curva DTA para el Manganeso
400
Zona de
descarbonatación
DTA Adición con Manganeso
1200
Zona
formación
de Belita
1400
Zona
formación
de Alita
Manganeso 2,0%
Manganeso 1,5%
Manganeso 0,5%
Manganeso 0,2%
Sin Adición
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
En las Figuras 30, 31 y 32 se encontró que a temperaturas entre 700ºC y 1100ºC se
presentaron los efectos producidos por deshidroxilaciones y descarbonataciones. Cuando
se adicionó fluorita, Figura 30, se observó que a medida que se aumentó la cantidad de
adición, el pico endotérmico se formó a una menor temperatura, el valor más bajo se dio
para una adición de 2% (824,10ºC), es decir, se presentó una mejora en la
descarbonatación. Este comportamiento coincide con lo hallado por Torres, Flores y
Domínguez [43], quienes obtuvieron resultados que sugieren que la descomposición del
CaCO3 se ve afectada por la fluorita, alcanzando menores temperaturas a medida que se
añade el mineralizante.
Un comportamiento similar se presentó con el feldespato, Figura 31, sin embargo, en este
caso la máxima reducción se encontró para una adición del 1,5% (834,00ºC). Cuando la
adición fue de manganeso, Figura 32, sucedió todo lo contrario, a medida que aumentó el
porcentaje de adición, el pico endotérmico se formó a una mayor temperatura y el valor
más bajo fue para 0,2% (822,30ºC).
Entre 1100ºC y 1368ºC se presentaron los picos exotérmicos que indican que se produjeron
reacciones de formación de compuestos tales como la belita, C2S, y la alita, C3S. En esta
zona en particular, se observa en cada una de las Figuras 27, 28 y 29 que al superponer las
curvas de DTA disminuye notablemente la resolución; sin embargo, cuando se cambia la
escala y se ven las zonas de formación de la belita y de la alita con mayor resolución como
las presentadas para un caso específico de adición con cada uno de los minerales en las
Figuras 33, 34 y 35, se logran observar estos picos exotérmicos.
DSC /(mW/mg)
↑ exo
5.00
[1.1]
4.50
[A]
1129.6 °C
4.00
1294.4 °C
3.50
[B]
3.00
2.50
2.00
[1.2]
B: Formación belita: 1147,5ºC
A: Formación alita: 1294,4ºC
1285.3 °C
1.50
1000
1050
1100
1150
1200
Te mpe rature /°C
1250
1300
Figura 33. Curva DTA para pasta con adición de 0,5% de fluorita.
62
1350
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DSC /(mW/mg)
↓ exo
0.0
-0.50
-1.00
-1.50
B: Formación belita: 1192,8ºC
A: Formación alita: 1368,1ºC
1328.7 °C
-2.00
1398.4 °C
1273.9 °C
-2.50
1159.0 °C
1368.1 °C
-3.00
[A]
1285.2 °C
-3.50
[B]
1192.8 °C
-4.00
1050
1100
1150
1200
1250
1300
1350
Temperature /°C
1400
1450
1500
Figura 34. Curva DTA para pasta con adición de 0,2% de feldespato.
DSC /(mW/mg)
↑ exo
1211.0 °C
2.80
2.60
2.40
[A]
1429.9 °C
[1.2]
2.20
[B]
1281.7 °C
1185.2 °C
1364.6 °C
2.00
1.80
1328.9 °C
B: Formación belita: 1185,2ºC
A: Formación alita: 1281,7ºC
1271.1 °C
1.60
1392.9 °C
1050
1100
1150
1200
1250
1300
Te mpe rature /°C
1350
1400
1450
Figura 35. Curva DTA para pasta con adición de 0,5% de manganeso
En el Anexo 1 se podrán encontrar en detalle las gráficas para cada una de las muestras
analizadas. En algunas de las gráficas, estos picos no fueron muy claros y en otras ni se
pudieron identificar, tal es el caso de la pasta sin adición, de la fluorita 0,2% y del
feldespato 0,5% y 2,0%.
63
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
En la Figura 30, se observa que el punto más bajo considerado de formación de la belita
para el grupo de la fluorita se presentó con una adición de 2,0% (1142,6ºC); en el grupo del
feldespato, la Figura 31 insinúa unos picos exotérmicos que se van formando a menor
temperatura a medida que se aumenta la adición, éstos podrían coincidir con la formación
de la belita; analizando las figuras por separado el menor valor fue para una adición de
1,5% (1183,9ºC) y en el manganeso para 0,2% (1174,7ºC), siendo entre éstos el más bajo
para la adición de fluorita de 2,0%. En la pasta sin adición no fue posible identificar este
valor.
En el caso de la formación de alita, para el grupo de la fluorita la temperatura más reducida
fue para la adición de 2,0% (1291,6ºC); en el feldespato fue para 1,5% (1281,8ºC) y en el
manganeso para 0,5% (1281,7ºC); entre los tres, el valor más bajo está para el feldespato de
1,5% y para el manganeso 0,5%. En la pasta sin adición la temperatura fue de 1362ºC.
El análisis del DTA mostró que la formación de la belita y de la alita tuvo un
comportamiento similar tanto en la zona de descarbonatación como en la de las reacciones
exotérmicas. En el caso de la fluorita y del feldespato, a medida que aumentó el porcentaje
de adición, disminuyó la temperatura de formación de estos compuestos, mientras que en el
caso del manganeso sucedió lo contrario.
Luego de los picos exotérmicos, en la zona entre 1000ºC y 1450ºC se encontraron otros
picos endotérmicos, los cuales pueden darse debido a composiciones que alcanzan puntos
de fusión. Es importante añadir que durante la aplicación de la técnica del DTA se
presentaron daños en los crisoles y en las tapas, las cuales se pegaron debido a que el
material de la muestra se fundió; esto puede indicar que el material adicionado actúo muy
bien como fundente y alcanzó su punto de fusión por debajo de los 1450ºC.
Como se explicó en el Capítulo 2 Metodología Experimental, se tomaron como referencia
los resultados del DTA para la formación de alita de la Tabla 14, a cada valor se le
adicionaron 20ºC y a esta temperatura resultante se llevó al horno cada muestra para la
producción del clínker.
Al corroborar con la técnica del DRX las decisiones tomadas del valor de temperatura para
producir el clínker se obtuvieron los resultados mostrados en las Figuras 36, 37 y 38.
64
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
10
20
D
A
2θ
θ
30
A
A+B
A+B
A+B
A+B
DRX Fluorita 0,5%
E
E
E
40
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
C+D
C+D
50
A
A
E
A
A
E
A
E
A
E
A
A
60
T seleccionada 1320ºC
T =1340ºC
T =1180ºC
T =1120ºC
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
65
Figura 36. DRX Clínker con adición 0,5% de fluorita a diferentes temperaturas. Tiempo de residencia en el horno: 45min
Intensidad, cps
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0
10
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
20
D
A
2θ
θ
30
A+B
A+B
A
A+B
A+B
E
DRX Feldespato 0,2%
E
E
E
40
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
50
A
A
A
E
A
E
E
A
A
E
A
60
T seleccionada 1388ºC
T =1400ºC
T =1240ºC
T =1150ºC
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
66
Figura 37. DRX Clínker con adición 0,2% de feldespato a diferentes temperaturas. Tiempo de residencia en el horno: 45min
Intensidad, cps
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0
10
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
20
D
D
A
2θ
A+B
A+B
30
A
A+B
A+B
E
E
E
E
40
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
DRX Manganeso 0,5%
A
C+D
50
C+D
A
A
E
A
E
A
E
A
A
E
A
60
T seleccionada 1310ºC
T =1330ºC
T =1230ºC
T =1150ºC
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
67
Figura 38. DRX Clínker con adición 0,5% de manganeso a diferentes temperaturas. Tiempo de residencia en el horno: 45min
Intensidad, cps
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
La Figura 36 muestra el proceso de formación de los minerales del clínker, se observa que a
1120ºC y a 1180 ºC es muy alto el contenido de cal libre y apenas se está formando la fase
vítrea y la belita; para 1340ºC, el contenido de cal libre disminuye y aparecen bien
formados los picos de alita con buena cristalinidad. De este difractograma se puede decir
que el comportamiento de 1320ºC y 1340ºC en cuanto a la cantidad y cristalinidad de los
minerales es muy similar; por lo tanto, la temperatura de 1320ºC, seleccionada para la
producción del clínker fue una buena determinación. En esta gráfica además, se puede
evidenciar cómo al ir aumentando la temperatura, el contenido de cal libre disminuye al
combinarse con la belita para formar más alita y presentar mejor grado de cristalinidad.
En el caso de la Figura 37, para la adición del feldespato, el difractograma de 1388ºC es
muy similar al de 1400ºC; a menores temperaturas como las curvas de 1150ºC y 1240ºC no
hay buena formación de los minerales del clínker y existe un alto contenido de cal libre. En
este caso, también fue bien seleccionada la temperatura de 1388ºC para la producción del
clínker.
Para la adición de manganeso mostrada en la Figura 38, el caso es similar a los anteriores.
Podría concluirse que se hizo una buena selección de una temperatura de 1310ºC pues este
difractograma presenta comportamiento similar al de 1330ºC donde se observa la
formación de los minerales del clínker. A temperaturas de 1120ºC y 1180ºC apenas se
inicia la formación de los minerales del clínker y el contenido de cal libre es muy alto.
Finalmente, de esta última verificación con los DRX de las Figuras 36, 37 y 38 se puede
concluir que las temperaturas seleccionadas fueron apropiadas para las condiciones de
trabajo establecidas porque se obtuvieron clínkeres con cantidades relativas de fases
minerales y grados de cristalinidad de éstas que están de acuerdo con las especificaciones
técnicas.
3.3 CARACTERIZACIÓN DEL CLÍNKER
Para el análisis del clínker obtenido en este proyecto se utilizaron las técnicas de
microscopía óptica y DRX, con las que se determinaron sus fases mineralógicas.
3.3.1 Resultados de la Difracción de Rayos X. El resumen de los resultados de los
difractogramas obtenidos se presenta en las Figuras 39 a 48; también se muestra el
resultado de cada uno de las muestras en el Anexo 2. En general, los análisis por DRX de
las muestras indican que éstas contienen alita, C3S, belita, C2S; celita, C3A, felita, C4AF y
además, tienen contenido de cal libre, CaO y en menor proporción, de periclasa; es decir,
en ellas se pudo analizar la cantidad y cristalinidad de los minerales del clínker que era una
de las características que se pretendía determinar con esta técnica.
68
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
En la Figura 39 se muestra el DRX para las dos muestras de la pasta sin adición, la
diferencia es el tiempo de residencia en el horno, la primera es de 30 minutos y la segunda
muestra es de 45 minutos. Los dos difractogramas presentan un comportamiento
relativamente parecido, presentan una buena cristalinidad de los minerales, lo cual se refleja
en la esbeltez de los picos. Para la comparación de las muestras con adición se utilizó la
del clínker sin adición muestra 2 (M2), pues presenta un mejor comportamiento, lo cual se
evidencia en la transformación de la belita en alita y la disminución en el grado de
cristalinidad de la fase vítrea. Con esto se concluye que el tiempo de residencia óptimo
para realizar este tipo de ensayos es de 45 minutos.
En la Figura 40, se presentan los difractogramas correspondientes al clínker con adición de
Fluorita, en éstos se observa una mejor cantidad y cristalinidad del contenido de alita y
belita y en el contenido de fase vítrea en las adiciones de 0,5% (muestras 1 y 2) e
igualmente con estos porcentajes de adición se encontró la menor cantidad de cal libre.
Para estas dos muestras el mejor comportamiento de cristalinidad es para la M1 y aunque la
diferencia entre ellas no es muy notoria, con M1 se lograría un clínker menos costoso ya
que los valores de temperatura y de tiempo de residencia en el horno fueron menores.
Después de una adición del 1,0% baja la cantidad y cristalinidad de los minerales, es
posible que se hubiera bajado mucho la temperatura en el horno.
Además, en la Figura 40 se puede observar que para las muestras con adición de 0,2%,
0,5%, 1,0% y 2,0% a medida que aumentó el porcentaje de adición, disminuyó la cantidad
de cal libre; en el caso de adición de 1,5% se presentó un valor alto. Lo anterior, coincide
con lo encontrado por Palomo y Blanco [34], quienes concluyeron que las muestras
dopadas con fluorita siempre dieron menor cantidad de cal libre que las muestras sin
fluorita, en las mismas condiciones de tiempo y temperatura. Igualmente, Ghosh y Mohan
[19] encontraron que el contenido de cal libre para muestras de pastas con adición de
fluorita de 0 a 1,5% disminuye con el incremento de adición de fluorita y que el contenido
de cal libre de un clínker preparado a 1350ºC con adición de fluorita de 1,0% es más o
menos igual al del clínker sin adición preparado a 1450ºC y este resultado también se
encontró en esta investigación.
La Figura 41 corresponde a los difractogramas con adiciones de Feldespato. De éstos, el
que muestra una mejor cristalinidad de los minerales de alita y belita es la adición del 1,0%
y además, con una buena conformación de fase vítrea; sin embargo, se observa en todos
que con la adición de feldespato la presencia de cal libre es muy alta, posiblemente debido
a la presencia de sodio y potasio del feldespato y su afinidad química con la sílice. Sin
embargo, al igual que en el caso de la fluorita, el contenido de cal libre tiende a disminuir
con el aumento en el porcentaje de adición de feldespato.
Las adiciones de manganeso se presentan en los difractogramas de la Figura 42, la mejor
cristalinidad para los minerales principales del clínker se observa en la adición de 0,5% M1,
en los demás difractogramas el contenido de cal libre es más alto.
69
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
En la Figura 43 se muestran todos los difractogramas correspondientes a una adición de
0,2% comparados con el clínker sin adición; en todos se observa un comportamiento
similar en la formación de los minerales del clínker y un alto contenido de cal libre. El
mejor comportamiento de cantidad y cristalinidad de los minerales es para la adición de
feldespato seguido de la fluorita M1.
La comparación de las adiciones de 0,5% se presenta en la Figura 44. La calidad y
cantidad de los minerales del clínker se muestra mejor en la adición de fluorita, igual que el
contenido de cal libre que se presenta más bajo para este mineral. Sólo la adición de
feldespato presenta un contenido alto de cal libre. Esto muestra que la fluorita funciona
mejor como mineralizador y clinkerizador que los otros dos minerales al permitir la mayor
formación de alita, la disminución en el contenido de cal libre y la reducción en la
cristalinidad de la fase vítrea.
Cuando se adiciona 1,0%, tal como se observa en la Figura 45, la fluorita y el feldespato
muestran un comportamiento similar en cuanto a la formación de los minerales del clínker,
sin embargo, el feldespato, al igual que el manganeso, muestra un aumento notable en la
presencia de cal libre. La presencia de fase vítrea tan definida está indicando un alto grado
de cristalinidad cuando se adiciona fluorita y feldespato, esto puede indicar o que la
temperatura aplicada fue alta o que el tiempo de residencia en el horno fue alto, o ambos
casos. Hay mayor cantidad de alita en la muestra sin adición que en las muestras
adicionadas. Lo anterior, no coincide con lo hallado por Christensen - Johansen [9],
quienes encontraron que con 1% de fluorita, una mezcla cruda C-S-A-F puede ser
transformada a alita a 1300ºC aproximadamente en la misma proporción que a 1450ºC sin
fluorita.
En el caso de la Figura 46 que corresponde a los difractogramas para una adición de 1,5%,
se puede observar un comportamiento similar para todas las muestras en la formación de la
alita, de la belita y de la fase vítrea; además, presentan un contenido de cal libre
significativo, especialmente para el feldespato M2. El grado de cristalinidad de las fases
minerales es bajo, la única que tiene una cristalinidad alta es la cal libre que llega a ser
igual o superior en contenido a las demás fases, es posible que esto haya ocurrido debido a
que la temperatura en el horno fue baja lo que impidió una buena formación de la alita y la
combinación de la belita más la cal libre para formar más alita.
En la Figura 47 se presentan los difractogramas de la adición de 2,0%. La mejor
cristalinidad de los minerales del clínker se presenta para el feldespato aunque con una gran
formación de cal libre. En el caso de la fluorita se presenta menos cantidad de cal libre.
Sin embargo, en general todos presentan baja cristalinidad si se comparan con la muestra de
clínker sin adición, escogida como la muestra de referencia.
En la Figura 48, se hace una comparación de la curva sin adición con las tres curvas con
adición que presentaron un mejor comportamiento con respecto a la cantidad y cristalinidad
de los minerales del clínker, es decir, la curva con adición de fluorita 0,5% M1, adición de
feldespato 1,0% y la de adición de manganeso 0,5% M2. En éstas se observó que de todas
70
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
las adiciones la mejor fue la adición de fluorita, el pico de la alita fue más alto, tuvo mejor
resolución, se presentó menos cristalinidad de la fase vítrea y a su vez., fue la que presentó
menos cantidad de cal libre.
Es importante anotar que la muestra sin adición mostró mejores resultados en los análisis de
DRX en cuanto a formación de alita, belita y contenido de fase vítrea y de cal libre que las
muestras adicionadas, lo cual podría estar sugiriendo que las muestras con adición
requerían de un poco más de temperatura para alcanzar el grado de cristalinidad en sus
componentes que fuese comparable al de la muestra sin adición.
71
Intensidad, cps
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0
5
10
15
B
25
2θ
θ
30
A
E
A+B
A+B
35
A+B
A+B
72
Figura 39. DRX Clínker sin adición
20
A
A+B
40
C+D
50
A
A
55
A
A
A
60
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
C línke r s in a dic ió n M 2 (1450ºC , 45m in)
C línke r s in a dic ió n M 1 (1450ºC , 30m in)
C+D
45
A+B+C+D
A+B+C+D
DRX Clinker sin adición
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Intensidad, cps
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0
10
B
B
20
B
B
B
B
A
A
A
30
A+B
A
A
A
A
A+B
A+B
A+B
A+B
A+B
2θ
θ
A+B
A+B
A+B
E
E
E
E
40
E
E
E
E
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
73
Figura 40. DRX Clínker con adición de fluorita
B
B
A
A
DRX Clínker con adición de Fluorita
A
C+D
C+D
C+D
C+D
A
A
50
A
A
A
A
A
E
E
E
A
A
A
A
A
A
A
E
E
A
A
A
A
A
60
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
2,0% (1315ºC, 45min)
1,5% M2 (1318ºC, 45min)
1,5% M1(1318ºC, 30min)
1,0% (1301ºC, 45min)
0,5% M2 (1370ºC, 60min)
0,5% M1(1320ºC, 45min)
0,2% M2 (1321ºC, 45min)
0,2% M1(1321ºC, 30min)
Sin Adición (1450ºC, 45min)
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Intensidad, cps
0
500
1000
1500
2000
2500
0
10
2,0% (1306ºC , 45m in)
1,5% (1302ºC , 45m in)
1,0% (1311ºC, 45m in)
0,5% (1320ºC , 45m in)
0,2% (1388ºC , 45m in)
A
B
B
20
B B
B
A
A+B
30
A+B
A
A
A+B
A
A
2θ
θ
A+B
A+B
A+B
A+B
E
E
E
A+B+C+D
40
A+B+C+D
A+B+C+D
E
E
A+B+C+D
A+B+C+D
E
A+B+C+D
A
C+D
C+D
A
C+D
C+D
74
50
A
A
A
E
A
A
A
E
A
A
E
A
E
A
A
A
DRX Clínker con adición de Feldespato
Figura 41. DRX Clínker con adición de feldespato
Sin Adic ió n (1450ºC , 45m in)
A
E
A
A
A
A
60
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Intensidad, cps
0
500
1000
1500
2000
2500
0
10
B
B
2,0% (1371ºC, 30min)
1,5% (1310ºC, 30min)
1,0% (1310ºC, 45min)
0,5% M2 (1360ºC, 60min)
0,5% M1 (1310ºC, 45min)
0,2% (1304ºC, 30min)
B
B
B
B
20
B
A
A
A
A
A
30
A+B
A
A
A
2θ
θ
A+B
A+B
A+B
A+B
A+B
A+B
A+B
E
E
E
E
E
E
E
40
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
A
C+D
A
75
C+D
C+D
C+D
C+D
C+D
DRX Clínker con adición de Manganeso
Figura 42. DRX Clínker con adición de manganeso
Sin Adición (1450ºC, 45min)
A
E
A
A
A
E
A
A
50
A
A
A
E
E
A
A
E
A
A
A
E
60
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Intensidad, cps
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0
10
B
B
20
B
B
A
30
A+B
A
A+B
A
A
A
2θ
A+B
A+B
A+B
A+B
E
E
E
E
40
A+B+C+D
A+B+C+D
E
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
76
Figura 43. DRX Clínker con adición 0,2%
B
B
A+B
DRX Clínker con Adición 0,2%
A
C+D
C+D
50
A
A
A
A
E
A
A
E
E
A
A
A
E
A
A
60
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
M a nga ne s o (1304ºC , 30m in)
F e lde s pato (1388ºC , 45m in)
F luo rita M 2 (1321ºC , 45m in)
F luo rita M 1 (1321ºC , 30 m in)
S in a dic ió n (1450ºC , 45m in)
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Intensidad, cps
0
500
1000
1500
2000
0
10
B
B
A
30
A+B
A
A+B
A
A+B
A
A+B
A
A+B
2θ
θ
A+B
A+B
A+B
A+B
A+B
A+B
A+B
E
E
E
E
E
40
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
E
A+B+C+D
A+B+C+D
A
77
C+D
50
C+D
C+D
C+D
C+D
A
Figura 44. DRX Clínker con adición 0,5%
20
B
A
DRX Clínker con Adición 0,5%
A
A
A
A
A
A
E
E
A
A
A
A
A
A
A
E
A
A
A
E
60
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
Sin adición (1450ºC, 45min)
Fluorita M1(1320ºC, 45min)
Fluorita M2 (1370ºC, 60min)
Feldes pato (1320ºC, 45min)
Manganes o M1(1310ºC, 45min)
Manganes o M2 (1360ºC, 60min)
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Intensidad, cps
0
0
10
30
2θ
θ
A+B
A+B
D
A
A+B
A+B
A+B+C+D
A+B+C+D
E
40
A+B+C+D
A+B+C+D
E
E
78
Figura 45. DRX Clínker con adición 1,0%
20
A
B
A
200
B
B
B
A
A
A+B
A
A
B
400
600
800
1000
1200
1400
DRX Clínker con Adición 1,0%
C+D
C+D
C+D
C+D
A
A
50
A
A
A
A
A
A
A
A
60
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
M a nga ne s o (1310ºC , 45m in)
A
A
E
A
E
A
A
A
F e lde s pa to (1311ºC , 45min)
F luo rita (1301ºC , 45m in)
S in Adic ió n (1450ºC , 45min)
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Intensidad, cps
0
500
1000
1500
2000
0
10
B
B
B
B
20
A
A
A+B
30
A
A+B
A
θ
2θ
A+B
A+B
A+B
A+B
E
E
E
A+B+C+D
40
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
E
E
79
Figura 46. DRX Clínker con adición 1,5%
B
B
A+B
DRX Clínker con Adición 1,5%
C+D
C+D
C+D
A
50
A
A
A
A
E
E
E
E
A
A
A
A
A
A
A
60
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
M a nga ne s o (1310ºC , 30m in)
F e lde s pa to (1302ºC , 45m in)
F luo rita M 2 (1318ºC , 45m in)
F luo rita M 1 (1318ºC , 30m in)
S in Adic ió n (1450ºC , 45m in)
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Intensidad, cps
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0
10
B
20
A
30
A+B
A
2θ
θ
A+B
A+B
A+B
E
E
E
A+B+C+D
40
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
E
80
Figura 47. DRX Clínker con adición 2,0%
B
B
A
A
A+B
DRX Clínker con Adición 2,0%
C+D
C+D
C+D
A
A
50
E
A
A
A
A
E
A
A
A
A
A
A
A
A
A
60
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
M a nga ne s o (1371ºC , 30m in)
F e lde s pa to (1306ºC , 45min)
F luo rita (1315ºC , 45m in)
S in Adic ió n (1450ºC , 45min)
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Intensidad, cps
10
20
B
A
A+B
0
2θ
A+B
A+B
A+B
A+B
81
Figura 48. DRX Clínker con adiciones
30
A
B
A
200
0
A
A
A+B
B
A+B
E
E
E
E
DRX Clínker con adiciones
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
40
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
A+B+C+D
C+D
C+D
C+D
C+D
A
50
A
A
E
A
E
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
E
60
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
M a nga nes o 0,5%M 2 (1310ºC , 45m in)
F e ldes pa to 1,0% (1311ºC , 45m in)
F luo rita 0,5%M 1 (1320ºC ,45m in)
S in a dic ió n (1450ºC , 45m in)
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
3.3.2 Resultados de la microscopía óptica. Para el clínker producido con la pasta con
diferentes porcentajes de adición los resultados se presentan en la Tabla 16 y en las Figuras
desde la 49 hasta la 54. Para encontrar estos valores se utilizó el método de conteo de
puntos y las fórmulas presentadas en el capítulo 2. Con esta técnica se buscó corroborar los
resultados obtenidos con la técnica del DRX en cuanto a la cantidad de los minerales del
clínker formados.
Tabla 16. Análisis petrográfico de las muestras de clínker obtenidas en el laboratorio
Pasta
Pasta sin adición M1
Pasta sin adición M2
Fluorita 0,2% M1
Fluorita 0,2% M2
Fluorita 0,5% M1
Fluorita 0,5% M2
Fluorita 1,0%
Fluorita 1,5% M1
Fluorita 1,5% M2
Fluorita 2,0%
Feldespato 0,2%
Feldespato 0,5%
Feldespato 1,5%
Feldespato 2,0%
Manganeso 0,2%
Manganeso 0,5% M1
Manganeso 0,5% M2
Manganeso 1,0%
Manganeso 1,5%
Manganeso 2,0%
Alita
Puntos %
1381 66,91
930
44,01
1151 56,80
570
26,93
1044 50,86
534
24,75
654
31,02
1349 65,97
1465 72,56
1026 45,51
726
34,06
900
43,27
654
30,50
918
43,05
836
39,91
912
43,42
714
33,43
666
31,38
1097 53,53
619
30,11
Belita
Puntos
%
198
9,83
468
22,70
497
25,14
510
24,70
582
29,06
762
36,20
552
26,84
398
19,95
178
9,04
528
24,01
492
23,66
516
25,43
234
11,19
504
24,22
490490 23,98
348
16,98
606
29,08
540
26,08
533
26,66
759
37,85
Celita
Puntos
%
0
0
20
0,90
0
0
24
1,08
72
3,33
60
2,64
156
7,03
32
1,49
0
0
126
5,31
24
1,07
24
1,10
102
4,52
102
4,54
8
0,36
0
0
0
0
42
1,88
0
0
0
0
Felita
Puntos
%
313
17,87
348
19,40
20
1,16
498
27,72
150
8,61
336
18,35
348
19,45
201
11,58
23
1,34
324
16,93
408
22,55
150
8,50
522
28,68
132
7,29
421
23,68
312
17,50
354
19,53
384
21,32
166
9,54
117
6,71
Cal libre
Puntos
%
108
5,40
258
12,59
332
16,90
390
19,00
132
6,63
342
16,35
318
15,56
20
1,01
334
17,06
144
6,59
384
18,58
342
16,96
522
25,11
204
9,87
245
12,06
432
21,21
372
17,96
396
19,24
204
10,27
505
25,33
Periclasa
Puntos
%
0
0
8
0,39
0
0
12
0,58
30
1,51
36
1,72
2
0,10
0
0
0
0
36
1,65
2
0,10
96
4,76
0
0
228
11,03
0
0
18
0,88
0
0
2
0,10
0
0
0
0
Total
Puntos
%
2000
100
2032
100
2000
100
2004
100
2010
100
2070
100
2030
100
2000 100
2000 100
2184 100
2036 100
2028 100
2034
2088
2000
2022
2046
2030
2000
2000
En la Figura 49 se muestra el análisis para las adiciones de 0,2%, al igual que en el DRX, se
observa que el porcentaje de cal libre es muy alto para todas las muestras, oscilando entre el
12% y el 20%. El mayor porcentaje de alita es para el manganeso y los contenidos de
belita y de fase vítrea son muy similares para todos. En este caso, el mejor comportamiento
en contenido de minerales es para la pasta sin adición.
Cuando la adición es de 0,5% (Figura 50), el mayor porcentaje de alita y belita se presenta
para la adición de fluorita y el contenido de cal libre es más bajo que en las demás
muestras. Este resultado coincide con el análisis del DRX corroborando que para este
porcentaje de adición, la fluorita presenta mejores resultados.
La Figura 51 muestra los resultados de adición del 1,0%, al igual que el análisis del DRX se
encuentra que el contenido de minerales y de cal libre para los diferentes tipos de adición es
muy similar.
82
100
100
100
100
100
100
100
100
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
En el caso de 1,5% de adición (Figura 52), el mejor comportamiento en contenido de alita y
belita se observa para la adición de la fluorita; en este caso el contenido de cal libre es bajo,
para las demás muestras, este valor aumenta; en el caso del feldespato, se corrobora lo
encontrado en el DRX pues el alto contenido de fase vítrea y de cal libre en detrimento del
contenido de alita es un indicativo de que la temperatura de cocción no fue lo
suficientemente alta.
En la Figura 53 se muestra que cuando se adiciona 2,0%, el mayor contenido en alita es
para la fluorita aunque también presenta un valor alto en el contenido de fase vítrea como
se encontró en el DRX. En el caso del manganeso, es muy alto el contenido de cal libre.
Finalmente, en la Figura 54, se presenta la comparación de todas las adiciones con la pasta
sin adición. En general, teniendo en cuenta los resultados del DRX y de la microscopía
óptica, se puede concluir que la muestra adicionada que dio mejores resultados en cuanto a
formación de alita, belita y contenido de fase vítrea y de cal libre, fue la que tenía una
adición de 0,5% de fluorita. Con este porcentaje de adición, la temperatura de cocción en
el horno fue 1320ºC y fomentó la formación de la belita y de la alita a temperaturas más
bajas. Estos resultados coinciden con los reportados por los investigadores Palomo y
Blanco [4] y [35]; Torres, Flores y Domínguez [43] pues se logró disminuir la temperatura
en más de 100ºC.
% Alita
Microscopía óptica. Adición 0,2%
% contenido minerales
% Belita
50
% Celita
40
% Felita
30
% Cal libre
20
10
0
Sin adición
(1450ºC, 45min)
Fluorita
(1321ºC, 45min)
Feldespato
(1388ºC, 45min)
Manganeso
(1304ºC, 30min)
Adiciones
Figura 49. Comparación de la pasta sin adición con las adiciones del 0,2%
83
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
% Alita
Microscopía óptica. Adición 0,5%
% contenido minerales
% Belita
60
% Celita
50
% Felita
40
% Cal libre
30
% Periclasa
20
10
0
Sin adición
(1450ºC, 45min)
Fluorita
(1320ºC, 45min)
Feldespato
(1320ºC, 45min)
M anganeso
(1310ºC, 45min)
Adiciones
Figura 50. Comparación de la pasta sin adición con las adiciones del 0,5%
Microscopía óptica. Adición 1,0%
% Alita
% contenido minerales
% Belita
50
% Celita
40
% Felita
30
% Cal libre
% Periclasa
20
10
-
Sin adición
(1450ºC, 45min)
Fluorita
(1301ºC, 45min)
Manganeso
(1310ºC, 45min)
Adiciones
Figura 51. Comparación de la pasta sin adición con las adiciones del 1,0%
84
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
% Alita
Microscopía óptica. Adición 1,5%
% contenido minerales
% Belita
% Celita
80
70
60
50
40
30
20
10
-
% Felita
% Cal libre
% Periclasa
Sin adición
(1450ºC, 45min)
Fluorita
(1318ºC, 45min)
Feldespato
(1302ºC, 45min)
Manganeso
(1310ºC, 30min)
Adiciones
Figura 52. Comparación de la pasta sin adición con las adiciones del 1,5%
% Alita
Microscopía óptica. Adición 2,0%
% contenido minerales
% Belita
% Celita
50
% Felita
40
% Cal libre
30
% Periclasa
20
10
-
Sin adición
(1450ºC, 45min)
Fluorita
(1315ºC, 45min)
Feldespato
(1306ºC, 45min)
Manganeso
(1371ºC, 30min)
Adiciones
Figura 53. Comparación de la pasta sin adición con las adiciones del 2,0%
85
% contenido minerales
0
10
20
30
40
50
60
70
80
% Cal libre
% Felita
% Celita
% Belita
% Alita
Adiciones
F 1,5%
F 2,0%
F e 0,2%
F e 0,5%
F e 1,5%
F e 2,0%
Mn 0,2%
Mn 0,5%
M n 1,0%
M n 1,5%
M n 2,0%
(1318ºC , 45`) (1315ºC, 45`) (1388ºC , 45´) (1320ºC , 45´) (1302ºC, 45´) (1306ºC , 45´) (1304ºC , 30´) (1310ºC , 45´) (1310ºC, 45´) (1310ºC , 30´) (1371ºC , 30´)
86
Figura 54. Comparación de la pasta sin adición con todas las adiciones
S in a dic ió n
F 0,2%
F 0,5%
F 1,0%
(1450ºC , 45`) (1321ºC , 45´) (1320ºC , 45`) (1301ºC, 45')
Microscopía óptica
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
3.4 RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DEL CEMENTO
Con el clínker obtenido en el laboratorio se continuó con su molienda y luego se mezcló
con yeso para obtener cemento, al cual se le evaluaron la finura, y las resistencias,
aplicando las normas técnicas colombianas especificadas para cada caso. Los resultados de
estos ensayos se encuentran resumidos en la Tabla 17.
Tabla 17. Superficie específica Blaine y resistencias del cemento
Pasta
Pasta sin adición M1
Pasta sin adición M2
Fluorita 0,2% M1
Fluorita 0,2% M2
Fluorita 0,5% M1
Fluorita 1,0%
Fluorita 1,5% M1
Fluorita 1,5% M2
Feldespato 0,2%
Feldespato 0,5%
Feldespato 1,0%
Feldespato 1,5%
Feldespato 2,0%
Manganeso 0,2%
Manganeso 0,5% M1
Manganeso 1,0%
Manganeso 1,5%
Manganeso 2,0%
SO3
2,76
2,05
2,69
2,83
1,87
2,22
2,65
1,09
2,32
2,94
2,00
2,25
2,28
2,63
1,91
2,25
2,80
2,44
Blaine
cm2/g
1792
2489
2848
5177
2404
2519
1869
1629
2771
3727
3377
2835
4972
2532
5282
3726
2468
2024
RM 325
A/C
37,78
26,25
22,02
8,72
21,20
19,26
25,84
42,93
16,44
5,05
15,25
19,10
7,01
27,26
6,48
13,76
26,40
33,94
0,485
0,485
0,45
0,45
0,45
0,45
0,45
0,45
0,45
0,45
0,45
0,45
0,45
0,485
0,45
0,45
0,485
0,485
R7
(MPa)
2,7
NO
1,0
NO
5,0
NO
0,4
NO
NO
NO
NO
NO
5,7
1,9
8,2
NO
1,65
0,5
R28
(MPa)
4,7
NO
NO
NO
NO
NO
NO
NO
NO
NO
NO
NO
10,50
5,3
11,7
NO
4,2
0,66
Observaciones
Se desintegraron
Se desintegraron
Se desintegraron
Se desintegraron
Se desintegraron
Se desintegraron
Se desintegraron
Se desintegraron
Se desintegraron
Se desintegraron
De acuerdo con la norma NTC 321, el valor máximo de SO3 permitido es de 3,5%, tal
como se observa en la Tabla 17, todas las muestras cumplieron con esta condición.
En el caso de la superficie específica, los valores obtenidos, aunque en algunos casos se
cumplió con las exigencias mínimas de acuerdo con la NTC 121 (Blaine > 2800cm2/g)
fueron bajos, esto posiblemente se debe a problemas de molienda.
En la Tabla 17, las resistencias en las que aparece la palabra NO significan que no fue
posible desmoldar los cubos o se desintegraron una vez retirados del agua de curado. Las
resistencias son bajas en parte debido a los valores de la superficie específica y al efecto
retardante de las adiciones utilizadas; ya los autores Torres, Flores y Domínguez [43]
habían encontrado que dentro de las características físico-mecánicas que más se ven
afectadas están la resistencia final y el tiempo de fraguado [43], lo cual se evidenció en que
muchos cubos se desintegraron en el proceso de curado. Igualmente, Syal y Kataria [40]
concluyeron que con el uso de algunos mineralizadores se retarda el tiempo de fraguado
debido a la hidratación de las fases de aluminato y ferrítica y se disminuye la resistencia
inicial del cemento; además, encontraron que cuando se usa una adición de fluorita mayor
al 1,0% la resistencia disminuye, probablemente debido a la formación de una solución
87
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
sólida con el C3S que afecta desfavorablemente la resistencia del clínker. También SoriaSantamaría [39] afirmó que la presencia de fluoruros como la fluorita en contenidos
superiores a 0,5% - 0,6% reducen las resistencias mecánicas del producto final debido a la
presencia de C3S.CaF2 que es un compuesto de baja hidraulicidad.
Aunque Syal and Kataria [40] y Müller (1929) y Majdie y Schwiete (1959) [35] reportaron
que el uso de la fluorita formaba anillos e incrementaba la tasa de deterioro del
revestimiento del refractario y en algunas ocasiones, el refractario del horno sufría daños a
temperaturas mayores de 1400ºC, en este trabajo este problema no se pudo evidenciar pues
las muestras con adición no tuvieron un contacto directo con el horno sino con el crisol, el
cual se tuvo que cambiar aproximadamente cada tres quemas pero se cree que por
problemas de poca resistencia de éste a las temperaturas altas.
88
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
4. CONCLUSIONES
Con la adición de 0,5% de fluorita se obtuvieron los mejores resultados en cuanto a
formación de alita, belita y contenido de fase vítrea y de cal libre. Con este porcentaje
de adición, la temperatura de cocción en el horno fue 1320ºC, es decir 130ºC por debajo
de lo que requiere una pasta sin adición. El porcentaje de alita fue del 51% y el de
belita de 29%.
En general, para la adición de fluorita, a medida que aumentó el porcentaje de adición,
disminuyeron la cantidad de cal libre en las mismas condiciones de tiempo en el horno
y la temperatura de cocción.
Ni el feldespato ni la braunita presentaron un buen comportamiento como
mineralizantes pues aunque se logró bajar la temperatura de clinkerización con el uso
de éstos, la formación de las fases minerales no fue adecuada.
Los valores de temperatura encontrados para la quema en el horno mediante la técnica
de DTA y el tiempo de residencia en el horno fueron apropiados para las condiciones de
este trabajo, lo cual fue verificado con los ensayos de DRX para una misma muestra
quemada a diferentes temperaturas y un tiempo de residencia en el horno de 45
minutos.
En los análisis de DTA, para las adiciones de fluorita y feldespato se encontró que el
pico endotérmico correspondiente al efecto producido por descarbonataciones se formó
a una menor temperatura a medida que se añadió el mineralizante. En el caso del
manganeso (braunita) el efecto fue contrario.
Después de los picos exotérmicos, en la zona entre 1000ºC y 1450ºC se encontraron
otros picos endotérmicos, los cuales pueden darse debido a composiciones que alcanzan
puntos de fusión indicando que el material adicionado actúo muy bien como fundente y
alcanzó su punto de fusión por debajo de los 1450ºC.
En los casos en que el grado de cristalinidad y la cantidad de las fases minerales fueron
bajos y la presencia de cal libre fue igual o superior en contenido a las demás fases, se
concluyó que esto ocurrió debido a que la temperatura en el horno fue baja, lo que
impidió una buena formación de la alita y la combinación de la belita más la cal libre
para formar más alita.
Las pruebas de resistencia no arrojaron buenos resultados debido a que los valores de la
superficie específica fueron bajos y además, el uso de los mineralizantes reduce las
resistencias mecánicas del producto final. También pudo influir el alto contenido de cal
libre en la mayoría de las muestras, especialmente en aquellas con adición de feldespato
y de braunita.
89
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Aún cuando la literatura reporta la formación de anillos y el deterioro en el horno
cuando se usa la fluorita como mineralizante, en este trabajo este problema no se pudo
evidenciar pues las muestras con adición no tuvieron un contacto directo con el horno
sino con el crisol, el cual se tuvo que cambiar aproximadamente cada tres quemas pero
se cree que por problemas de poca resistencia de éste a las temperaturas altas.
Finalmente vale destacar, a manera de resumen, que la influencia de la fluorita en la
formación de los minerales del clínker se evidencia en las bajas temperaturas finales de
trabajo. Aquí valdría la pena un estudio detallado de la cinética de formación de la alita
y la belita, aunque un primer acercamiento insinúa un cambio en las velocidades de
reacción y una variación importante en la manera como se da el intercambio entre los
materiales reaccioantes. Se trata de reacciones heterogéneas fuertemente influenciadas
por las características circundantes y en este caso ellas se están variando de manera
considerable, ya que por ejemplo la temperatura se disminuye hasta en 130°C. Estas y
otras consideraciones abren la discusión a los aspectos cinéticos que aquí no se han
estudiado.
90
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
5. RECOMENDACIONES
Para estudios de este tipo se deben utilizar las materias primas luego de que se les haya
hecho un proceso de beneficio que mejore su pureza, debido a que los contaminantes
que tenga cada material pueden alterar significativamente los resultados. Por ejemplo,
cuando el mineral contiene barita, ésta ayuda como fundente pero si el mineral tiene un
alto contenido de cuarzo, éste puede elevar la temperatura de fusión.
Es importante estudiar el volumen potencial de los yacimientos del mineralizador para
garantizar su existencia pues a nivel de la industria cementera se requieren grandes
volúmenes de material.
Con la ayuda de las técnicas del DRX y del DTA se pudo determinar que en general,
las temperaturas seleccionadas para la cocción de las muestras fueron apropiadas, sin
embargo, la muestra sin adición mostró mejores resultados en los análisis d DRX en
cuanto a formación de alita, belita y contenido de fase vítrea y de cal libre que las
muestras adicionadas; por lo tanto, se recomienda para futuras investigaciones trabajar
con 30ºC por encima de los valores encontrados en el DTA y no 20ºC como se hizo en
este proyecto, con el fin de lograr difractogramas iguales o mejores a los de la muestra
sin adición. Además, para determinar la temperatura de formación de los minerales
usar no sólo la técnica del DTA sino apoyarse en la técnica del DRX.
Para la realización de este tipo de ensayos el tiempo de residencia en el horno de lecho
fijo debe ser de 45 minutos.
Para trabajos relacionados con este tema, se recomienda trabajar con el diagrama de
flujo propuesto en la Figura 7 y continuar con la experimentación en plantas pilotos o
hacerlo a escala industrial.
Se recomienda que este proceso se realice a nivel industrial utilizando como
mineralizador la fluorita en un porcentaje de adición del 0,5% pues fue el que arrojó
mejores resultados.
Es importante realizar un estudio cinético en donde se planteen aspectos tales como los
mecanismos de reacción heterogénea, las limitaciones mayores desde el punto de vista
de temperatura y reactividad.
Así mismo vale la pena realizar una profundización termodinámica a las reacciones
estudiadas con miras a detallar aspectos tales como el diagrama de fases y las líneas de
reactividad involucradas al realizar la adición del mineralizador. Estos aspectos
requieren mayor dedicación teórica complementando de manera adecuada los temas
experimentales aquí trabajados.
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Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
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Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
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Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
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Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
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ANEXOS
ANEXO 1. DTA OBTENIDOS PARA CADA UNO DE LOS MUESTRAS
Pasta sin adición
DSC /(uV/mg)
↓ exo
0.2
0
527.9 °C
Descarbonatación: 840,9ºC
Formación belita: Sin identificar
Formación alita: 1362ºC
840.9 °C
-0.2
1362.0 °C
-0.4
472.8 °C
-0.6
1340.2 °C
711.7 °C
[1.2]
-0.8
1182.5 °C
-1.0
-1.2
[1.1]
-1.4
-1.6
200
400
600
800
Temperature /°C
1000
1200
1400
Figura A1. Pasta sin adición
Intervalos de calentamiento: __ 90-1100 °C(15C/min.) ,__ 1100-1450(10C/min.).
Pasta con adición de Fluorita
DSC /(uV/mg)
↓ exo
861.6 °C
0
-0.2
Descarbonatación: 861,6ºC
Formación belita: Sin identificar
Formación alita: 1349,6ºC
1326.4 °C
1292.6 °C
[3.2]
-0.4
474.7 °C
-0.6
513.0 °C
1349.6 °C
1301.4 °C
-0.8
[3.1]
200
400
600
800
Temperature /°C
1000
1200
Figura A2. Pasta con adición de 0,2% de Fluorita.
Intervalos de calentamiento: __ 100-1000 °C(15C/min.) ,__ 1000-1450(10C/min.).
99
1400
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DSC /(uV/mg)
↓ exo
1292.6 °C
1326.4 °C
[3.2]
-0.40
-0.50
Descarbonatación: 861,6ºC
Formación belita: Sin identificar
Formación alita: 1349,6ºC
-0.60
1349.6 °C
1301.4 °C
-0.70
-0.80
-0.90
[3.1]
1000
1050
1100
1150
1200
1250
Temperature /°C
1300
1350
1400
Figura A3. Pasta con adición de 0,2% de Fluorita.
Intervalo de calentamiento: 1000-1450(10C/min.).
DSC /(uV/mg)
↑exo
1.60
[11.1]
703.6 °C
1.40
474.2 °C
1147.5 °C
531.2 °C
1294.1 °C
1.20
1.00
0.80
0.60
837.7 °C
0.40
1285.3 °C
Descarbonatación: 837,7ºC
Formación belita: 1147,5ºC
Formación alita: 1294,4ºC
0.20
0.0
-0.20
200
400
600
800
Temperature /°C
1000
1200
Figura A4. Pasta con adición de 0,5% de Fluorita.
Intervalos de calentamiento: __ 100-1000 °C(15C/min.) ,__ 1000-1450(10C/min.).
100
1450
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DSC /(mW/mg)
↑ exo
5.00
[1.1]
4.50
1129.6 °C
4.00
1294.4 °C
3.50
3.00
Descarbonatación: 837,7ºC
Formación belita: 1147,5ºC
Formación alita: 1294,4ºC
2.50
[1.2]
1285.3 °C
2.00
1.50
1000
1050
1100
1150
1200
Te mpe rature /°C
1250
1300
1350
Figura A5. Pasta con adición de 0,5% de Fluorita.
Intervalo de calentamiento: 1000-1450(10C/min.).
DSC /(mW/mg)
↓ exo
880.7 °C
0.0
-0.50
476.3 °C
-1.00
529.2 °C
1442.9 °C
1430.3 °C
-1.50
-2.00
1331.9 °C
Descarbonatación: 880,7ºC
Formación belita: 1171,9ºC
Formación alita: 1298,4ºC
1171.9 °C
1289.9 °C
758.8 °C
[1.1]
-2.50
200
400
600
800
Te mpe rature /°C
1000
1200
1400
Figura A6. Pasta con adición de 1,5% de Fluorita.
Intervalos de calentamiento: __ 100-1000 °C(15C/min.) ,__ 1000-1450(10C/min.).
101
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DSC /(mW/mg)
↓ exo
1331.9 °C
1430.3 °C
-1.60
-1.80
Descarbonatación: 880,7ºC
Formación belita: 1171,9ºC
Formación alita: 1298,4ºC
-2.00
1442.9 °C
1289.9 °C
-2.20
-2.40
1171.9 °C
[1.1]
-2.60
1000
1050
1100
1150
1200
1250
1300
Te mpe rature /°C
1350
1400
1450
Figura A7. Pasta con adición de 1,5% de Fluorita.
Intervalo de calentamiento: 1000-1450(10C/min.).
DSC /(mW/mg)
↓ exo
0
-1
824.1 °C
475.9 °C
717.8 °C
-2
1291.6 °C
-3
-4
Descarbonatación: 824,1ºC
Formación belita: 1142,6ºC
Formación alita: 1291,6ºC
1142.6 °C
-5
[1.1]
1281.6 °C
200
400
600
800
Te mpe rature /°C
1000
1200
Figura A8. Pasta con adición de 2,0% de Fluorita.
Intervalos de calentamiento: __ 100-1000 °C(15C/min.) ,__ 1000-1450(10C/min.).
102
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DSC /(mW/mg)
↓ exo
0
-1
Descarbonatación: 824,1ºC
Formación belita: 1142,6ºC
Formación alita: 1291,6ºC
-2
-3
1291.6 °C
[1.2]
1142.6 °C
-4
-5
[1.1]
1281.6 °C
-6
1000
1050
1100
1150
1200
Te mpe rature /°C
1250
1300
1350
Figura A9. Pasta con adición de 2,0% de Fluorita.
Intervalo de calentamiento: 1000-1450(10C/min.).
Pasta con adición de Feldespato
DSC /(mW/mg)
↓ exo
0.0
841.8 °C
Descarbonatación: 841,8ºC
Formación belita: 1192,8ºC
Formación alita: 1368,1ºC
-0.50
-1.00
477.4 °C
-1.50
1328.7 °C
716.8 °C
-2.00
1398.4 °C
1273.9 °C
-2.50
1159.0 °C
531.0 °C
-3.00
1368.1 °C
[1.1]
-3.50
1285.2 °C
1192.8 °C
200
400
600
800
1000
Temperature /°C
1200
Figura A10. Pasta con adición de 0,2% de feldespato.
Intervalos de calentamiento: __ 100-1000 °C(15C/min.) ,__ 1000-1450(10C/min.).
103
1400
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DSC /(mW/mg)
↓ exo
0.0
-0.50
-1.00
-1.50
Descarbonatación: 841,8ºC
Formación belita: 1192,8ºC
Formación alita: 1368,1ºC
1328.7 °C
-2.00
1398.4 °C
1273.9 °C
-2.50
1159.0 °C
1368.1 °C
-3.00
1285.2 °C
-3.50
1192.8 °C
-4.00
1050
1100
1150
1200
1250
1300
1350
Temperature /°C
1400
1450
1500
Figura A11. Pasta con adición de 0,2% de feldespato.
Intervalo de calentamiento: 1000-1450(10C/min.).
DSC /(mW/mg)
↑ exo
1001.3 °C
2.50
1325.9 °C
[1]
850.2 °C
478.7 °C
2.00
1210.6 °C
1.50
1428.3 °C
1.00
532.6 °C
0.50
Descarbonatación: 850,2ºC
Formación belita: 1210,6ºC
Formación alita: Sin identificar
0.0
-0.50
200
400
600
800
Te mpe rature /°C
1000
1200
1400
Figura A12. Pasta con adición de 0,5% de feldespato.
Intervalos de calentamiento: __ 100-1000 °C(15C/min.) ,__ 1000-1450(10C/min.).
104
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
.
DSC /(mW/mg)
↑ exo
2.60
1001.3 °C
2.50
1204.4 °C
1210.6 °C
2.40
2.30
1444.6 °C
1193.2 °C
2.20
2.10
2.00
Descarbonatación: 850,2ºC 1104.7 °C
Formación belita: 1210,6ºC
Formación alita: Sin identificar
1299.8 °C
[2]
1428.3 °C
1.90
1000
1100
1200
Te mpe rature /°C
1300
1400
Figura A13. Pasta con adición de 0,5% de feldespato.
Intervalo de calentamiento: 1000-1450(10C/min.).
DSC /(mW/mg)
↑exo
[1.1]
1183.9 °C
1437.5 °C
3.50
1396.3 °C
3.00
484.2 °C
532.8 °C
2.50
1274.1 °C
2.00
1327.1 °C
1.50
1.00
122.3 °C
Descarbonatación: 834,0ºC
Formación belita: 1183,9ºC
Formación alita: 1281,8ºC
0.50
0.0
834.0 °C
-0.50
200
400
600
800
1000
Temperature /°C
1200
Figura A14. Pasta con adición de 1,5% de feldespato.
Intervalos de calentamiento: __ 100-1000 °C(15C/min.) ,__ 1000-1450(10C/min.).
105
1400
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DSC /(mW/mg)
↑exo
3.60
1183.9 °C
3.50
3.40
3.30
1318.6 °C
1347.4 °C
3.20
1437.5 °C
[3.2]
3.10
1432.7 °C
Descarbonatación: 834,0ºC
Formación belita: 1183,9ºC
Formación alita: 1281,8ºC
3.00
2.90
1281.8 °C
1425.7 °C
1405.8 °C
1311.9 °C
1396.3 °C
1274.1 °C
2.80
1000
1050
1100
1150
1200
1250
Temperature /°C
1300
1350
1400
1450
Figura A15. Pasta con adición de 1,5% de feldespato.
Intervalo de calentamiento: 1000-1450(10C/min.).
DSC /(mW/mg)
↓ exo
0.50
837.3 °C
0.0
-0.50
531.0 °C
-1.00
Descarbonatación: 837,3ºC
Formación belita: sin identificar
Formación alita: 1285,5ºC
-1.50
-2.00
1324.0 °C
-2.50
479.7 °C
-3.00
1271.1 °C
-3.50
730.5 °C
[2.1]
-4.00
1285.5 °C
200
400
600
800
1000
Temperature /°C
1200
Figura A16. Pasta con adición de 2,0% de feldespato.
Intervalos de calentamiento: __ 100-1000 °C(15C/min.) ,__ 1000-1450(10C/min.).
106
1400
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DSC /(mW/mg)
↓ exo
-0.50
-1.00
-1.50
-2.00
-2.50
Descarbonatación: 837,3ºC
Formación belita: sin identificar
Formación alita: 1285,5ºC
1324.0 °C
-3.00
1271.1 °C
-3.50
1285.5 °C
-4.00
-4.50
1050
1100
1150
1200
1250
1300
Temperature /°C
1350
1400
1450
Figura A17. Pasta con adición de 2,0% de feldespato.
Intervalo de calentamiento: 1000-1450(10C/min.).
Pasta con adición de Manganeso
DSC /(uV/mg)
↓ exo
0
Descarbonatación: 822,3ºC
Formación belita: 1174,7ºC
Formación alita: 1283,9ºC
-0.5
822.3 °C
-1.0
1328.8 °C
466.1 °C
1283.9 °C
-1.5
[1.2]
526.3 °C
-2.0
-2.5
[1.1]
1174.7 °C
200
400
600
800
Temperature /°C
1000
1200
Figura A18. Pasta con adición de 0,2% de manganeso.
Intervalos de calentamiento: __ 100-1000 °C(15C/min.) ,__ 1000-1450(10C/min.).
107
1400
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DSC /(uV/mg)
↓ exo
1328.8 °C
-1.600
1393.1 °C
-1.700
1277.9 °C
-1.800
-1.900
-2.000
Descarbonatación: 822,3ºC
Formación belita: 1174,7ºC
Formación alita: 1283,9ºC
-2.100
-2.200
1174.7 °C
-2.300
-2.400
1100
1150
1200
1250
1300
Temperature /°C
1350
1400
1450
Figura A19. Pasta con adición de 0,2% de manganeso.
Intervalo de calentamiento: 1000-1450(10C/min.).
DSC /(mW/mg)
↑exo
[1.1]
1185.2 °C
1425.6 °C
2.50
477.9 °C
1281.7 °C
1364.6 °C
530.0 °C
2.00
1.50
1271.1 °C
1392.9 °C
1.00
1328.9 °C
0.50
141.1 °C
0.0
855.5 °C
Descarbonatación: 855,5ºC
Formación belita: 1185,2ºC
Formación alita: 1281,7ºC
-0.50
200
400
600
800
1000
Temperature /°C
1200
Figura A20. Pasta con adición de 0,5% de manganeso.
Intervalos de calentamiento: __ 100-1000 °C(15C/min.) ,__ 1000-1450(10C/min.).
108
1400
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DSC /(mW/mg)
↑ exo
1211.0 °C
2.80
2.60
2.40
1429.9 °C
[1.2]
2.20
1281.7 °C
1185.2 °C
1364.6 °C
2.00
1.80
1.60
1328.9 °C
Descarbonatación: 855,5ºC
Formación belita: 1185,2ºC
Formación alita: 1281,7ºC
1271.1 °C
1392.9 °C
1050
1100
1150
1200
1250
1300
Te mpe rature /°C
1350
1400
1450
Figura A21. Pasta con adición de 0,5% de manganeso.
Intervalo de calentamiento: 1000-1450(10C/min.).
DSC /(uV/mg)
↓ exo
0.2
884.6 °C
Descarbonatación: 884,6ºC
Formación belita: 1209,0ºC
Formación alita: 1290,0ºC
0
-0.2
1423.4 °C
1332.1 °C
474.4 °C
-0.4
1282.2 °C
530.0 °C
-0.6
-0.8
1290.0 °C
[1.1]
-1.0
200
400
600
800
Temperature /°C
1000
1200
1400
Figura A22. Pasta con adición de 1,5% de manganeso.
Intervalos de calentamiento: __ 100-1000 °C(15C/min.) ,__ 1000-1450(10C/min.).
109
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DSC /(uV/mg)
↓ exo
1423.4 °C
1332.1 °C
-0.40
-0.50
1282.2 °C
-0.60
-0.70
1290.0 °C
-0.80
Descarbonatación: 884,6ºC
Formación belita: 1209,0ºC
Formación alita: 1290,0ºC
-0.90
[1.1]
-1.00
1000
1050
1100
1150
1200
1250
Temperature /°C
1300
1350
1400
1450
Figura A23. Pasta con adición de 1,5% de manganeso.
Intervalo de calentamiento: 1000-1450(10C/min.).
DSC /(uV/mg)
↓ exo
0.2
877.6 °C
Descarbonatación: 877,6ºC
Formación belita: 1201,0ºC
Formación alita: 1351,0ºC
0
-0.2
475.1 °C
1395.8 °C
-0.4
-0.6
529.9 °C
-0.8
1408.7 °C
-1.0
[1.1]
200
400
600
800
Temperature /°C
1000
1343.3 °C
1200
Figura A24. Pasta con adición de 2,0% de manganeso.
Intervalos de calentamiento: __ 100-1000 °C(15C/min.) ,__ 1000-1450(10C/min.).
110
1400
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DSC /(uV/mg)
↓ exo
-0.50
1395.8 °C
[2.2]
-0.60
-0.70
1408.7 °C
-0.80
1343.3 °C
-0.90
Descarbonatación: 877,6ºC
Formación belita: 1201,0ºC
Formación alita: 1351,0ºC
-1.00
-1.10
[2.1]
1000
1050
1100
1150
1200
1250
Temperature /°C
1300
1350
Figura A25. Pasta con adición de 2,0% de manganeso.
Intervalo de calentamiento: 1000-1450(10C/min.).
111
1400
1450
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
ANEXO 2. DIFRACTOGRAMAS DE CADA UNA DE LOS MUESTRAS
DRX Clínker pasta sin adición
32,119
A+B
500
A+B
34,279
450
A+B+D
38,7
A+B
300
100
A
56+,48
A
C+D
47,12
17,879
150
41,28
B
36,679
29359
200
A+B+C+D
P
51,72
A
250
50
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
2θ
Figura A26. Pasta sin adición (1450ºC, 30 minutos)
A+B
Muestra
CLINKER SIN2ADITIVO M2
32.119
450
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
P: Periclasa
400
350
A+B
34.259
300
250
A
200
A+B+C+D
C+D
50
A
56.6
46.98
100
51.72
E
37.439
150
41.32
A
29.339
Intensidad, cps
Intensidad, cps
400
350
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
P: Periclasa
0
-50
10
20
30
40
2θ
Figura A27. Pasta sin adición (1450ºC, 45 minutos)
112
50
60
60
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DRX Clínker + Fluorita 0,2%
37,319
A+B
31,919
400
A+B+D
C+D
A+B
47,44
A+B
250
A+B+C+D
A
E
29,219
A
A
50,5
100
17,759
11,999
150
A
50
56,165
B
45,62
B
41,1
200
53,9
300
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
2θ
Figura A28. Pasta con adición de 0,2% de Fluorita (1321ºC, 30 minutos)
A+B+D
Muestra 2
32.559
250
37.399
E CLINKER FLUORITA 0.2%
A+B
200
150
E
A+B+C+D
C+D
A
A
56.38
A
44.06
36.639
41.2
P
D
26.219
23.179
17.899
20.539
B
A
15.539
50
12.019
B
50.32
B
B
47.58
100
54
29.639
A
8.599
Intensidad, cps
Intensidad, cps
350
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
P: Periclasa
E
0
10
20
30
40
50
2θ
Figura A29. Pasta con adición de 0,2% de Fluorita (1321ºC, 45 minutos)
113
60
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
Clínker pasta con 0,2% Fluorita. Muestras 1 y 2.
DRX Clínker + Fluorita 0,5%
32.299
A+B
450
A: Alita
CLINKER
B:
Belita
FLUORITA
C:
0.5Celita
%
D: Felita
E: Cal libre
P: Periclasa
400
350
A+B+D
250
200
A+B
A+B+C+D
A
E
A
56.62
50
C+D
47.66
37.419
29.479
100
41.32
E
51.82
A
54.04
150
0
-50
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
2θ
Figura A30. Pasta con adición de 0,5% de Fluorita (1320ºC, 45 minutos)
A+B
32.279
400
Muestra 2
CLINKER FLUORITA 0.5% M2
350
A+B+D
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
P: Periclasa
300
250
A+B
34.439
200
A+B+C+D
37.499
100
47.1
50
A
C+D
A
56.62
E
51.92
A
41.42
150
29.559
Intensidad, cps
Intensidad, cps
300
0
-50
10
20
30
40
50
2θ
Figura A31. Pasta con adición de 0,5% de Fluorita (1370ºC, 60 minutos)
114
60
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DRX Clínkerº + Fluorita 1,0%
32.439
A+B+D
350
300
CLINKER FLUORITA 1%
A+B+C+D
A
A+B
29.519
250
A
38.56
A
44.6
20.359
A
35.199
50
15.519
100
A
41.12
B
B
56.22
P
150
50.52
D
47.5
B
23.039
C+D
11.979
Intensidad, cps
200
0
-50
10
20
30
40
50
60
2θ
Figura A32. Pasta con adición de 1,0% de Fluorita (1301ºC, 45 minutos)
DRX Clínker + Fluorita 2,0%
200
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
P: Periclasa
CLINKER
FLUORITA
2.0 %
32.119
A+B+D
A+B
34.299
E
29.319
A
47.94
E
54.14
C+D
36.619
25.119
23.139
D
A
56.4
P
B
17.819
B
51.72
A
B
50
41.22
37.479
A+B+C+D
100
11.899
Intensidad, cps
150
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
2θ
Figura A33. Pasta con adición de 2,0% de Fluorita (1315ºC, 45 minutos)
115
55
60
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
A+B
A+B
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
P: Periclasa
34,279
A+B+D
200
54
51,74
E
A
56,5
A
A
47,52
50
A+B+C+D
45,66
11,899
17,999
100
A
29,339
B
B
41,2
150
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
2θ
Figura A34. Pasta con adición de 1,5% de Fluorita (1318ºC, 30 minutos)
32.039
A+B
A+B+D
200
Muestra 2
FLUORITA 1,5% M2
E
37.259
250
150
A+B+C+D
53.88
A
C+D
47.48
A
51.64
29.279
A
A
45.6
50
B
17.839
B
56.38
100
E
41.12
A+B
11.879
Intensidad, cps
Intensidad, cps
250
E
37,419
300
32,119
DRX Clínker + Fluorita 1,5%
0
10
20
30
40
50
2θ
Figura A35. Pasta con adición de 1,5% de Fluorita (1318ºC, 45 minutos)
116
60
60
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DRX Clínker + Feldespato 0,2 %
A+B
300
A: Alita
B: BelitaFELDESPATO 0.2%
CLINKER
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
P: Periclasa
37.039
31.739
E
A+B
A+B+C+D
40.84
28.939
33.919
A
100
A
E
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
2θ
37.479
Figura A36. Pasta con adición de 0,2% de Feldespato (1388ºC, 45 minutos)
E
DRX Clínker +
Feldespato 0,5%
CLINKER
FELDESPATO 0.5%
32.199
A+B
250
200
A+B
150
E
54.1
A+B+C+D
100
41.24
Intensidad, cps
Intensidad, cps
200
A
50
A C+D
0
10
20
30
40
50
2θ
Figura A37. Pasta con adición de 0,5% de Feldespato (1320ºC, 45 minutos)
117
60
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DRX Clínker + Feldespato 1,0%
A+B+D
A: Alita
B: Belita
C: Celita
CLINKER
D: Felita FELDESPATO 1%
E: Cal libre
P: Periclasa
A+B
32.679
300
A
E
37.339
C+D
E
53.96
A
44.62
P
A
56.16
41.12
A
26.219
15.599
50
A+B+C+D
D
17.899
B
20.379
A
23.059
B
100
47.5
B
50.56
150
0
10
20
30
40
50
60
2θ
37.079
Figura A38. Pasta con adición de 1,0% de Feldespato (1311ºC, 45 minutos)
500
E
CLINKER
FELDESPATO 1.5%
M2
DRX Clínker +
Feldespato 1,5%
450
400
31.839
A+B
350
300
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
P: Periclasa
E
53.7
Intensidad, cps
Intensidad, cps
200
29.539
250
250
200
A+B
150
100
A+B+C+D
B
50
0
-50
10
20
30
40
50
2θ
Figura A39. Pasta con adición de 1,5% de Feldespato (1302ºC, 45 minutos)
118
60
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DRX Clínker + Feldespato 2,0%
A+B+D
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
P: Periclasa
32.359
300
CLINKER FELDESPATO 2%
A+B
250
A+B
200
A+B+C+D
53.92
A
56.14
47.4
A
50.28
40.98
D
44.04
22.959
E
A
26.159
50
B
20.339
17.779
B
C+D
B
B
100
37.199
29.419
150
11.819
Intensidad, cps
E
A
0
10
20
30
40
50
60
2θ
Figura A40. Pasta con adición de 2,0% de Feldespato (1306ºC, 45 minutos)
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
DRX Clínker + Manganeso 0,2%
C+D
E
A+B
53,96
47,54
200
A+B
A+B+C+D
B
A
A
A
50,4
A
29,479
23,039
50
17,919
B
100
45,58
B
41,16
150
56,3
31,939
A+B+D
12,019
Intensidad, cps
250
E
37,299
A+B
300
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
2θ
Figura A41. Pasta con adición de 0,2% de Manganeso (1304ºC, 30 minutos)
119
55
60
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DRX Clínker + Manganeso 0,5%
300
A+B
32.059
250
CLINKER
MANGANESO
0.5%
A+B+D
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
P: Periclasa
A+B
E
29.619
C+D
A
56.34
45.66
P
E
A
54.12
A
50.58
41.14
B
B
23.099
50
A
20.539
12.039
B
17.919
B
100
A+B+C+D
37.479
A
47.6
150
14.519
Intensidad, cps
200
0
-50
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
2θ
Figura A42. Pasta con adición de 0,5% de Manganeso (1310ºC, 45 minutos)
A+B
31.899
Muestra 2
300
CLINKER MANGANESO 0.5%
A+B+D
250
A
29.199
A+B
A
53.82
P
E
56.26
A
A
51.56
22.939
20.239
50
B
C+D
47.36
B
B
40.98
E
45.44
100
A+B+C+D
37.239
150
11.579
Intensidad, cps
200
0
10
20
30
40
50
2θ
Figura A43. Pasta con adición de 0,5% de Manganeso (1360ºC, 60 minutos)
120
60
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DRX Clínker + Manganeso 1,0%
A: Alita
B: Belita
CLINKER
C: CelitaMANGANESO 1%
D: Felita
E: Cal libre
A+B
32.079
300
A+B+D
E
37.319
250
A+B
53.92
E
150
A
A
56.14
45.54
A
50.44
29.499
D
23.099
11.939
50
B
17.959
B
47.48
A
B
C+D
41.1
A+B+C+D
100
25.319
Intensidad, cps
200
0
10
20
30
40
50
60
2θ
Figura A44. Pasta con adición de 1,0% de Manganeso (1310ºC, 45 minutos)
300
A+B
A+B
A: Alita
B: Belita
C: Celita
D: Felita
E: Cal libre
E
200
A
A
A
56,26
50,42
C+D
47,42
41,14
29,539
50
25,339
B
23,099
17,919
100
A
B
44,08
D
B
54,04
E
A+B+C+D
150
11,939
Intensidad, cps
250
32,059
A+B+D
37,419
DRX Clínker + Manganeso 1,5%
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
2θ
Figura A45. Pasta con adición de 1,5% de Manganeso (1310ºC, 30 minutos)
121
55
60
Efectos de algunas adiciones minerales colombianas en la fabricación del clínker para cemento Pórtland I
__________________________________________________________________________________________________
DRX Clínker + Manganeso 2,0%
A+B
E
250
37,519
A+B+D
300
A+B
200
A
A+B+C+D
A
A
51,8
20,459
22,719
17,719
50
15,219
B
100
E
C+D
56,36
B
54,16
B
47,32
A
41,2
B
29,279
150
11,839
Intensidad, cps
32,079
350
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
2θ
Figura A46. Pasta con adición de 2,0% de Manganeso (1371ºC, 30 minutos)
122
50
55
60