Importancia del Yeso en la Fabricación de Cemento

Interpretación del fraguado y Resistencias del cemento Portland

A través del tiempo se han realizado diferentes investigaciones para encontrar ecuaciones que relacionen el porcentaje de SO3 con los componentes del cemento.

El mínimo contenido de SO3 está relacionado, ya sea con la finura del cemento, o alternativamente con el contenido de C3A, de los álcalis (Na2O, K2O), así como el contenido de SO3 del Clinker.

Ecuaciones que relacionan algunos componentes.

El yeso y los sulfatos de calcio en general, desempeñan un papel importante en la fabricación del Clinker (como mineralizadores y modificadores en el reciclaje de los álcalis) y como reguladores de la reología y velocidad de hidratación del cemento Portland. Parte del sulfato necesario para las reacciones iniciales, se encuentra normalmente en el Clinker como álcali-sulfato, el cual rápidamente se transforma en solución sólida. Parte proviene del sulfato de calcio adicionado durante la molienda, pero su funcionamiento al disolverse en la pasta de cemento, depende de la forma en la cual se encuentre en el cemento.

Ecuación Según Lerch

%SO₃ = 0.1 C₃A + 1.8 (E.A Na₂O) + 1.14

E.A. Na₂O = Equivalente alcalino como % de sodio.

Ecuación según Haskell

% SO₃ = 0.0933 C₃A + 1.7105 (%Na₂O) + 0.9406 (%K₂O) + 1.2288

Ecuación según Ost

% SO3 = 0.5560 (%Na₂O) + 0.17659 (Blaine) – 0.1072 (%Fe₂O) – 3.6004

En general cuanto más silicatos y aluminato tricíclico contienen el cemento, más rápido endurece. Los álcalis aceleran el fraguado y aumentan las resistencias iniciales, como también lo hace el sulfato contenido como constituyente secundario en el Clinker; pero disminuyen la resistencia a los 28 días. Valores de fosforo por encima de 0.5% también afecta el desarrollo de resistencia del cemento.

Una resistencia elevada a 28 días exige que, en la curva granulométrica del cemento, el mayor porcentaje de partículas esté entre 3 y 30 micras. A superficies especificas iguales, las resistencias iniciales, así como las de 28 días, serán tanto más elevadas cuanto más se acerque a la vertical el trazado de la curva granulométrica.

El sulfato cálcico que se añade para regular el fraguado aumenta también la resistencia mientras no esté por encima del sulfato óptimo. En general el contenido óptimo en sulfato es tanto más elevado, cuanto más aluminato contenga el Clinker y más elevada sea la finura, así como la temperatura de fraguado y endurecimiento. El falso fraguado es imputable a la presencia de semihidratos. Un fraguado demasiado rápido es provocado por la formación de Singenita (K₂SO₄.C_aSO4.H₂O). La tendencia de los cementos aglomerarse en terrones (costras), es tanto mayor cuanto más alto es su contenido de C₃A y en álcalis. Los cementos en los que los álcalis entran combinados con el C3A, son particularmente sensibles a los almacenamientos.

La aglomeración en terrones se debe a una hidratación parcial durante la cual se forma Ettringita (3CaO.Al₂O₃.3CaOSO₄.32H₂O) y singenita. La sensibilidad al almacenamiento se reduce en la medida que disminuye la humedad del aire y mediante la utilización de aditivos de molienda. La tendencia a la aglomeración en terrones y las modificaciones del fraguado durante el almacenamiento pueden ser eliminadas, en parte, por la combinación rápida de los álcalis bajo forma de sulfato durante la cocción del Clinker.

RELACION ENTRE PÉRDIDA AL FUEGO Y EL PORCENTAJE DE SO₃

La pérdida al fuego viene dada por la suma de las sustancias que se evaporan de la muestra al calentar el cemento a 1000^oC hasta peso constante. Dicha determinación se utiliza como control en los cementos, pues puede ser un índice de su meteorización, por un exceso de tiempo de almacenamiento o por un defectuoso almacenamiento en contacto directo con el aire, por lo cual el cemento sufre una pre hidratación, incluso una carbonatación. Por otra parte, el yeso sería un suministrador a la perdida al fuego, o sea dos moles de agua por cada mol de sulfato de calcio, según la reacción.

CaSO₄.2H₂O = CaSO₄ + 2H₂O

PM(CaSO₄.2H₂O) = 172

PM(CaSO₄) = 136

PM (2H₂O) = 36

PM(SO₃) = 80

Según lo anterior cada 1% de SO₃ nos daría 0.45% de perdida al fuego (36/80 x 100). La realidad es bien diferente, al molerse el CaSO₄.2H₂O junto con el Clinker para obtener el cemento Portland, alcanza temperaturas superiores a 120^oC (hasta 140^oC en molinos de bolas), por lo cual el yeso pierde molécula y media de agua, y se convierte en hemidrato (CaSO₄.1/2H₂O), con un peso molecular de 145 y la nueva proporción real según la ecuación:

CaSO₄.1/2H₂O = CaSO₄ + 1/2H₂O

PM(CaSO₄.1/2H₂O) = 145

PM(CaSO₄) = 136

PM (1/2H₂O) = 9

PM(SO₃) = 80

Por cada 1% de SO₃ una perdida al fuego de 0.11

La utilización del yeso de alta pureza (mayor del 90%), tiene la ventaja de que la demanda de agua en el cemento es normalmente más baja. El yeso de baja pureza (con contaminantes arcillosos), promueve el fraguado rápido y aumenta la demanda de agua en el cemento, aumentándose también la dosificación respectiva.

Cuando la temperatura de molienda sobrepasa los 130^oC, el yeso se deshidratará rápidamente cuando hay humedad en la atmosfera y, por consiguiente, en el cemento habrá una mezcla de semihidrato y anhidrita soluble. El peligro de falso fraguado es inminente, especialmente en ciertos tipos de cemento.

FACTOR DEL CLINKER CON RELACION AL PORCENTAJE DE YESO UTILIZADO

Hay unos factores del Clinker, los cuales tienen una incidencia directa sobre el comportamiento del yeso adicionado:

El contenido del C₃A del Clinker y su reactividad, están relacionados con el contenido óptimo de yeso en el cemento. Si el contenido de SO₃ del cemento Portland es demasiado bajo, entonces el cemento es inadecuadamente regulado para tener un fraguado uniforme, pero si es innecesariamente alto, entonces será más alta la posibilidad de alto fraguado.

·        Como una generalización aproximada puede decirse que para un cemento Portland normal con un moderado C₃A (menor de 11) un SO₃ optimo es más o menos 2.3% y para niveles mayores de C₃A, es del 2.6%. El valor preciso dependerá por supuesto, de factores como el porcentaje de SO₃ en el Clinker, Blaine, etc. También donde el contenido de impurezas de un yeso sea demasiadamente alto, entonces la adición del yeso será mayor y viceversa. Esto puede también afectar el nivel óptimo de SO₃.

·         Para superficies especificas superiores a las típicas del cemento Portland ordinario, donde los componentes del Clinker son más reactivos, niveles mayores de SO₃ (3% a 3.5%). Sin embargo, es seguro que la molienda prolongada puede tener un efecto más severo sobre el hemidrato formado, así que su rehidratación es demorada, y la posibilidad para el falso fraguado es más probable que en el cemento portland ordinario. El SO₃ óptimo para el desarrollo de resistencias puede ser diferente al porcentaje de SO₃ óptimo para la trabajabilidad debido a que el ultimo es de importancia primordial durante el periodo de hidratación inicial.

·         Si la cal libre del Clinker es demasiado alta se aumentará la deshidratación del yeso, debido a su considerable higroscopicidad (lo cual hace que se remueva el agua de las moléculas de yeso durante la molienda) lo cual retarda la rehidratación del hemidrato.

·         El cemento producido en la base de un Clinker alto en álcalis está caracterizado por:

o   Más cal libre.

o   Tiempos de fraguados inicial y finales más cortos.

o   Alta expansionen autoclave.

o   Endurecimiento prematuro y baja trabajabilidad.

o   Alta resistencia inicial, pero bajas resistencias tardías.

El contenido de álcalis del Clinker afecta significativamente su microestructura y afecta el funcionamiento del cemento y las propiedades del concreto durante su vaciado y desarrollo de resistencias. La influencia del contenido de álcalis sobre el desarrollo de resistencias en el cemento depende del contenido de SO₃ en el Clinker, así como del porcentaje de adición de yeso al cemento. Al incrementar los porcentajes de SO₃ en un Clinker de contenidos de álcalis constante, implica que una mayor fracción de los álcalis será más fácilmente soluble.

El efecto de esta transferencia de álcalis generalmente será un aumento de las resistencias iniciales del cemento y una disminución de las resistencias ultimas con un porcentaje de aumento de los álcalis solubles. Sin embargo, los efectos son modificados por el contenido de yeso en los cementos. Así el efecto sobre las resistencias iniciales parece estar ausente cuando el contenido de yeso es más alto que el contenido óptimo; por analogía altos contenidos de yeso tienden a disminuir el efecto negativo de los álcalis sobre las resistencias ultimas.

BALANCE TEORICO DE SO₃ EN LA MOLIENDA DE CEMENTO

La siguiente ecuación nos ilustra.

SO₃(cemento) = SO₃(yeso) %yeso (1 – %H₂O) + SO₃clinker (% clinker) + SO₃adicion %SO₃(1 - %H₂O).

Si la adición al cemento es del 20% y tiene una humedad del 4% con un porcentaje de SO₃ del 0.01%, entonces obtenemos la ecuación.

% Adición yeso = 99.808(%SO₃cemento – %SO₃clinker)/ (%SO₃yeso - %SO₃clinker).

Con esta Ecuacion se puede observar la influencia que tienen, en la dosificación del yeso, los contenidos del % de SO₃ del Clinker y la pureza del yeso utilizado para porcentajes de SO₃ constantes en el cemento.

CONCLUSIONES:

En la fabricación del cemento Portland muchas etapas operacionales pueden afectar las propiedades hidráulicas del producto final. Especial atención debe ser puesta al papel desempeñado por los álcalis solubles con respecto al desarrollo de resistencias, así como a su relación con el SO₃ optimo y la dosificación del yeso en la molienda y a comportamientos del fraguado del cemento Vs temperatura del cemento.