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Cal

Generalidades

La producción de cal en hornos es una vieja tecnología con más de 2000 años de antigüedad, se cree que fue desarrollada por los romanos alrededor del 300 A.C. El proceso de cocción de la piedra caliza a temperaturas superiores a los 900°C para producir cal viva, que luego es apagada con agua para producir cal hidratada, es desde entonces una práctica tradicional en la mayoría de los países, la cal es uno los materiales más versátiles, empleado en numerosos procesos agrícolas e industriales, para la protección ambiental y construcción de edificaciones.

La cal también es obtenido como un subproducto en forma de lodo de cal (que contiene carbonato de calcio y diversas impurezas) de la fabricación de azúcar, y de las industrias de papel y acetileno.

Las reacciones químicas en la cocción de la cal son:

Reacción 1 (900°C, dependiendo del tipo de piedra caliza)

o

Reacción 2 (a aproximadamente 750°C):

después de la Reacción 1 (a aproximadamente 1100°C)

Materias Primas

• El proceso químico de cocción de la cal muestra que el principal constituyente en la materia prima (piedra caliza) necesariamente es el carbonato de calcio (CaCO₃) La piedra caliza puede tener un contenido de CaCO₃ mayor del 98% (como en la tiza y en diversos tipos de conchas y corales) o tan bajo como 54% (en la dolomita mineral pura).

• Cada tipo de piedra caliza produce una calidad diferente de cal, dependiendo del tipo y cantidad de impurezas. Las formas más puras de cal son para usos industriales y químicos, mientras que las impurezas son deseables en cales empleadas para edificaciones y carreteras. Las piedras calizas, llamadas «karkar» en la India, que contienen de 5 a 25% de arcilla pueden producir una cal hidráulica, que como el cemento, se endurece ante la presencia de agua.

• El subproducto lodo de cal es moldeado en ladrillos o briquetas antes del cocido en hornos.

• La presencia de impurezas en las piedras calizas influyen en su comportamiento durante la cocción, de modo que el diseño del horno y la elección de combustible dependen en gran parte de la materia prima y del tipo del producto final requerido. Por ello es esencial la asesoría de expertos en la etapa inicial, para obtener resultados satisfactorios tanto para el productor de cal como para el consumidor.

• La preparación de la materia prima es extremadamente importante ya que debería emplearse un solo tamaño de piedra (el tamaño del puño de un hombre), para facilitar un flujo del gas uniforme y un horneado parejo. Es importante realizar pruebas de horneado en pequeña escala para estudiar el comportamiento de la materia prima y la calidad de cal que ésta produce, y también para asegurarse que los terrones no se rompan antes que salgan del horno.

Horno para pruebas de horneado en pequeña escala (Bibl. 06.08)

Combustibles

• La madera y el carbón de piedra son los combustibles tradicionales más comunes. La cocción con madera produce algunas de las cales de mejor calidad, ya que éstas se hornean con llamas largas y uniformes que generan vapor (por el contenido de humedad de la madera), lo cual ayuda a disminuir la temperatura necesaria para la disociación (separación del CO₂ de los carbonatos), reduciendo así el peligro de cocción excesiva.

• La madera debe ser secada y cortada en piezas relativamente pequeñas. El abastecimiento de madera debería estar cercana al horno para evitar altos costos de transporte. Para la producción de cada tonelada de cal hidratada se necesita aproximadamente. 2 m³ de madera. Esto es un problema, en vista de la rápida depredación de las fuentes de madera, pero una posible solución es fomentar plantaciones de madera combustible.

• El carbón de leña da una eficiencia mayor, pero la cal producida no es tan buena como la horneada con madera.

• El carbón de piedra con un alto contenido de carbón produce una buena cal y puede ser un combustible económico incluso en hornos pequeños. El coke es preferible debido a su bajo contenido volátil (hidrocarburos que se puedan evaporar), pero es difícil de prender y, por lo tanto, a menudo es mezclado con carbón de piedra.

• Los combustibles líquidos y gaseosos, aunque más caros, son más fáciles de manipular que los combustibles sólidos, y se queman sin producir cenizas que contaminen la cal.

• Los tipos principales son los aceites combustibles pesados, a menudo mezclados con aceite usados en motores. El combustible es vaporizado, mezclado con aire y prendido en cámaras ubicadas alrededor del horno, produciendo llamas grandes antes de hacer contacto con la piedra caliza.

• Los gases de petróleo licuados, principalmente propano (C₃H₈) y butano (C₄H₁₀), son otros combustibles líquidos empleados. Igualmente se emplea el gas natural, como el metano (CH₄), y el gas producido, hecho de madera, material vegetal o carbón de piedra.

• Si se emplean aceites o gases, los hornos necesariamente deberán ser más sofisticados que los empleados con combustibles sólidos.

• Los posibles combustibles alternativos son la turba, los esquistos y la biomasa, derivados de materiales vegetales incluyendo residuos forestales y agrícolas. Pueden emplearse de diferentes maneras.

• La energía solar y eólica son poco probable de emplearse en un futuro cercano.

Diseño y Funcionamiento del Horno

• Un horno de cal es una construcción en la cual la piedra caliza es calentada a una temperatura tal que libere el CO₂, convirtiendo la piedra en cal viva. El calor es proporcionado por combustibles adecuados que pueden ser colocados en capas entre la piedra caliza o mezclados con ésta. Los combustibles gaseosos o líquidos son inyectados por los lados del horno o quemados en cámaras adyacentes, desde las cuales los gases calientes ingresan al horno.

• Es necesario un control cuidadoso para mantener la temperatura correcta el tiempo suficiente como para quemar completamente la piedra. La piedra caliza subhorneada no se hidratará, mientras que el material sobrehorneado es muy duro y denso para apagarse, o se hidrata muy lentamente.

• Como la variedad de tipos de horno es muy amplia, aquí sólo los describiremos en términos generales. Los más sofisticados (ejem. hornos con lechos fluidos y rotatorios) no serán tratados, aunque en ciertas situaciones su empleo pueda ser valioso de tomar en cuenta.

• Los hornos intermitentes o por lotes generalmente son empleados en lugares remotos, en donde no se necesita un abastecimiento continuo (ejem. pequeños proyectos de vivienda o construcción de carreteras). Son cargados con piedra caliza y encendidos hasta que toda las piedra ha sido cocida. Luego de enfriar, se extrae la cal viva, se vuelve a cargar con piedra caliza y nuevamente se enciende el horno. La eficiencia del combustible naturalmente es muy baja, ya que las paredes del horno tienen que ser recalentadas cada vez que se enciende un nuevo lote. Por otro lado, necesita muy poca atención durante el quemado. El combustible se quema debajo de la piedra caliza (en hornos de llama o de tiro de aire superior) o dentro del lote completo (en hornos de alimentación combinada).

• Los hornos de eje vertical son disonados principalmente para producción continua: la piedra, alimentada por la parte superior, cae gradualmente en la zona de cocción, luego en la zona de enfriamiento, y finalmente es extraída por abajo, dejando sitio para la siguiente carga, y así sucesivamente. La capa superior es precalentada por los gases de evacuación y el aire que ingresa por dedujo es precalentado por la cal viva en enfriamiento, obteniendo así, el máximo uso del calor disponible.

Las principales características del diseño y consideraciones del funcionamiento respecto a los hornos de alimentación combinada y eje vertical son:

• Cimientos y base del horno: construido sobre un terreno firme y con las dimensiones adecuadas para soportar al fuste y al contenido del horno; es necesaria la asesoría de un ingeniero.

• Forma y dimensiones del fuste: el área de la sección transversal está relacionada a la producción deseada (regla del pulgar: 1 m² produce aproximadamente. 2.5 toneladas por día); una planta circular proporciona una mejor distribución del calor; la relación entre altura y diámetro debe ser al menos de 6:1 para un flujo de gas óptimo; la altura debe estar relacionada al tipo de piedra caliza, ya que las piedras suaves tienden a molerse bajo la presión, restringiendo así el flujo del gas (los hornos para tiza blanda no deben exceder de 5 mt. de alto); los fustes que se adelgazan hacia la parte superior (a un ángulo aproximadamente. de 3°C) minimizan las «piezas colgantes» (piedras que se adhieren a los lados y forman arcos).

• Paredes estructurales: deben soportar la presión lateral de la piedra caliza (proporcionando un mayor grosor de la pared en la base, o contrafuertes, o mediante bandas de tracción de acero a intervalos de 80 cm., tal como los desarrollados por la Khadi and Village Industries Commission, Bombay); deben resistir el agrietamiento que podrían ocasionar la expansión del calor (empleando pequeños ladrillos en lugar de bloques grandes, y mortero de arena y cal en juntas angostas); espesor de la pared de 50 cm. como mínimo para un buen comportamiento térmico; material resistente a los agentes atmosféricos (piedra natural o ladrillos bien cocidos) al menos para las hiladas del muro superior.

• Revestimiento: espesor de 22 cm como mínimo, en la parte superior del horno, resistente a la erosión (ejem. piedra dura o ladrillos azules especiales); en la zona de cocción y debajo, resistente al calor y a la acción química (ladrillos refractarios duros, de textura fina colocados con juntas muy finas de mortero de arcilla cocida).

• Aislamiento: usualmente de 5 a 10 cm. de espesor, entre la pared y el revestimiento para retener el calor en el horno, especialmente alrededor de la zona de calcinación; hay diferentes aislantes (ejem. vacíos de aire, ceniza de cascara de arroz u otra puzolana, árido ligero, lana mineral).

Gases de evacuación

• Aberturas: en la parte superior para la alimentación, preferiblemente con tapa, si hay una chimenea más allá de abertura; en la parte inferior para que el aire fluya hacia adentro y para retirar la cal viva enfriada, por lo que con una abertura simple en el centro (de tipo hacia adentro) el control del tiro de aire es más fácil que con dos o más aberturas (de tipo hacia afuera); alrededor del horno a diferentes niveles como orificios para atizar e inspeccionar, usualmente del tamaño de un ladrillo (el cual es empleado para cerrar), para aflojar regularmente los terrones de caliza amontonados y para controlar la temperatura dentro del horno.

• Chimenea: entre 2.5 y 6 m. de altura, para mejorar el tiro de aire y proporcionar así suficiente oxigeno para la combustión, para enfriar la cal viva, y para alejar los gases de evacuación de los operarios que cargan el horno.

De Bibl. 06.07: Aberturas de descarga alternativas para hornos de eje vertical

Enrrejado para abertura de descarga de tipo hacia afuera/vertical

Enrrejado para abertura de descarga de tipo hacia adentro

Hidratación

• El tipo de cal empleado para construcciones y otros numerosos procesos es la cal hidratada o apagada. Esta es obtenido añadiendo vapor o apara caliente a la cal viva. Las cales vivas puras reaccionan vigorosamente desprendiendo calor considerable, mientras que las cales impuras se hidratan lentamente, o solo después que los terrones son triturados.

Reacción 3:

Comúnmente se producen tres formas de cal hidratada:

1. Hidrato seco, un polvo fino seco formado añadiendo agua suficiente para apagar la cal, que es secada por el calor generado;
2. Lechada de cal, hecha de cal viva apagada con agua en exceso y agitándola bien, formando una suspensión lechosa;
3. Pasta de cal, una masa viscosa formada por el asentamiento de los sólidos de la lechada de cal.

• La forma más común es el hidrato seco, que es muy adecuado para almacenar en silos o bolsas herméticas, y fáciles de transportar. La pasta de cal, que es un excelente material de construcción, puede ser guardada indefinidamente bajo condiciones húmedas. La lechada de cal generalmente es producida conjuntamente con otras industrias de procesamientos.

• En pequeñas fabricas de cal, el apagado usualmente se realiza a mano, sobre plataformas para producir un hidrato seco o tanques pocos profundos para hacer pasta de cal.

• Aunque la hidratación de la cal viva es un proceso simple, debe realizarse con especial cuidado, por ejemplo, ver que toda la cal viva esté completamente apagada. Las piezas que se hidratan muy lentamente y que no se detectan, pueden causar serios problemas posteriormente.

• Si el agua es añadida muy lentamente, la temperatura de la cal puede incrementarse demasiado rápido, formando un compuesto arenoso blanco inactivo (cal de «agua quemada»). Si el agua es añadida muy rápidamente, puede formarse una capa de hidróxido, evitando una mayor hidratación (cal «ahogada»).

El Central Building Research Institute de la India desarrollo una pequeña planta de hidratación, que requiere muy poco espacio y elimina muchos de los problemas de hidratación produciendo calidades uniformes de hidrato seco en un tiempo relativamente corto.

Organización de la Obra

Figura

La localización y distribución de un taller de producción de cal son factores vitales que influyen en la economía y la calidad de la producción de cal. La ilustración (de la Bibl. 06.08) muestra una organización de obra adecuada en la cual la distancia entre las operaciones sucesivas son relativamente cortas.

Organización de la Obra

Aplicaciones

• La cal es empleada como un estabilizador en las construcciones de tierra con suelos arcillosos, porque la cal reacciona con la arcilla formando un aglomerante.

• La cal es mezclada con una puzolana (ceniza de cascara de arroz, ceniza volátil, residuos de alto horno, etc.) para producir un aglomerante hidráulico, que puede sustituir parcial o totalmente al cemento, dependiendo del comportamiento requerido.

• La cal hidráulica (hecha de piedra caliza rica en arcilla) puede ser empleada sin puzolana.

• La cal no hidráulica (hidróxido de calcio puro) también es empleada como un aglomerante en enlucidos. Se endurece al reaccionar con el dióxido de carbono en el aire para retornar a piedra caliza (carbonato de calcio). Este proceso puede tomar hasta 3 años dependiendo de las condiciones climáticas.

• La cal es usada en morteros de cemento para hacerlo más laborable.

• La lechada de cal (leche de cal diluida) es empleado como pintura de paredes internas y externas.

Ventajas

• La cal es producida con menos consumo de energía que el cemento, haciéndolo más barato y ambientalmente mas aceptable.

• En morteros y trabajos de enlucido, la cal es muy superior al cemento portland, proporcionando superficies suaves con una mayor probabilidad a deformarse que a agrietarse y ayudan a controlar los movimientos de humedad y la condensación.

• Como la resistencia generada por el cemento portland no siempre es necesaria (y a veces incluso puede ser peligrosa), el aglomerante puzolana - cal proporciona un sustituto más barato y estructuralmente mas adecuado, conservando así el cemento para usos más importantes.

• La lechada de cal no sólo son pinturas mas baratas sino que también actúan como un germicida suave.

Problemas

• La estabilización de suelo con cal requiere más de dos veces el tiempo de curado necesario para el suelo estabilizado con cemento.

• Si la cal viva es guardada en condiciones húmedas (incluso con aire húmedo), se hidratará.

• La cal hidratada, guardada por mucho tiempo, reacciona gradualmente con el dióxido de carbono en el aire y se vuelve inservible.

• El hinchamiento de la cal (hidratación de los nódulos de cal viva restantes) puede tener lugar mucho tiempo después de que el componente se haya secado, causando ampollas, grietas y superficies feas.

• La lechada de cal ordinarios tardan en endurecerse, y son fáciles de retirar frotándolos.

• La cocción tradicional de la cal en hornos intermitentes desperdician mucho combustible (generalmente leña) y a menudo producen cales no uniformes, de baja calidad (sobre o subcocidas).

• El valor de la cal esta muy subestimado, especialmente desde que el cemento portland se ha convertido en una clase de aglomerante «milagroso» en casi todas partes.

Soluciones

• El tiempo para el curado de suelos estabilizados con cal puede reducirse empleando cales hidráulicas o añadiendo una puzolana a las cales no hidráulicas.

• La cal viva tiene que ser hidratada antes de emplearse en obras de construcción, por ello esto debe hacerse tan pronto como sale del horno, ya que la cal hidratada es mucho más fácil de guardar y transportar.

• Para evitar un rápido deterioro de la cal hidratada seca, debe ser guardada en bolsas herméticas.

• Es ventajoso guardar la cal en forma de pasta. Esto puede hacerse indefinidamente, ya que la calidad de la pasta de cal mejora mientras mas tiempo esta guardada. Con este método, son apagadas incluso las partículas de cal viva de más lenta hidratación, evitando así el hinchamiento de la cal en una etapa posterior.

• Debe haber una mayor difusión de información y asesoría a los productores locales de cal para que construyan hornos de cal más eficientes (en términos de consumo de combustible y producción de cal).

• Se necesitan esfuerzos similares para reivindicar la cal como uno de los materiales de construcción más importantes.

Cemento

Generalidades

De la gran variedad de cementos disponibles hoy en día, el cemento portland ordinario (OPC) es el más común, y usualmente el tipo al que se hace referencia cuando se habla de cemento. Este es un polvo fino gris que puede ser mezclado con arena, grava y agua para producir concreto o mortero resistente y durable.

El cemento portland fue desarrollado en el siglo XIX y fue llamado así debido a su semejanza a una popular piedra de construcción de Portland, Inglaterra. Desde entonces ha sido asociado con una alta resistencia y durabilidad y, consecuentemente, se ha convertido en uno de los materiales de construcción más prestigiosos.

El cemento usualmente es producido en grandes plantas centralizadas, que incurren en altos costos de capital y grandes distancias de transportación a la mayoría de obras. En la mayoría de países en desarrollo, las capacidades de producción están muy por debajo de la demanda y también debido a las perdidas y el deterioro en el transporte y almacenaje, el cemento generalmente esta asociado con altos costos y escasez de abastecimiento.

Para mejorar la situación, se han concentrado esfuerzos en el desarrollo de plantas de cemento en pequeña escala (también llamadas plantas de «mini-cemento»), particularmente en la China y la India.

Producción de Cemento a Gran Escala

• Aproximadamente el 95% del cemento del mundo es producido en hornos rotatorios con rendimientos diarios entre 300 y más de 5000 toneladas.

• La piedra caliza (carbonato de calcio) y la arcilla (sílice, alúmina y óxido de hierro) son trituradas y mezcladas con agua para formar una mezcla pastosa, que es alimentada por el extremo superior del horno rotatorio con recubrimiento refractario y ligeramente inclinado, que puede tener más de 100 m. de largo. El aire caliente a temperaturas de 1300° y 1400°C es soplado por la parte inferior, secando la mezcla pastosa, que luego es sintetizada y fundida en bolas duras conocidas como clinker. Estas salen del horno, son enfriadas y trituradas en un molino de bolas con aproximadamente 3% de yeso para retardar el fraguado del cemento. Mientras más fino se muele, mayor es la velocidad de fraguado y la resistencia.

• El proceso húmedo, descrito aquí ha sido reemplazado en gran medida por el proceso seco que necesita menos energía para secar la materia prima alimentada.

• El OPC es vendido en bolsas de 50 kg., preferiblemente en bolsas de papel muti-capas de alta calidad. Sin embargo en algunos países (ejem. India) se emplean bolsas de yute retornables, produciendo grandes desperdicios y dificultades en mantener el control de calidad.

Producción de Cemento en Pequeña Escala

• Este método de producción emplea pequeños hornos de eje vertical, una tecnología que implica más de la mitad de la producción de cemento anual en China.

• La alimentación del horno se hace de piedra caliza triturada, arcilla y carbón de piedra, que son proporcionados y molidos finamente en un molino de bolas y para luego formarse en nódulos con un disco nodulador.

• Los nódulos son alimentados por la parte cónica superior del horno, en la cual el aire precalentado que asciende causa que el combustible de los nódulos se prenda, formando clinker.

• Los nódulos de clinker caen gradualmente en la porción cilíndrica, donde son enfriados con el aire que ingresa por debajo.

• Una parrilla giratoria descarga el clinker, que es entonces molido con yeso en un molino de bolas. Como los nódulos son porosos, se necesita poca energía para molerlos.

• El rendimiento diario de un horno de eje vertical es de 2 a 30 toneladas de cemento portland ordinario.

Variedades de Cemento

• Numerosas variedades de cemento son producidas modificando los tipos y proporciones de las materias primas a ser calcinadas, o combinando o triturando cemento portland con otros materiales. Los tipos más comunes son:

• Cemento portland de endurecimiento rápido (triturado más finamente que el OPC; con igual resistencia final que el OPC).

• Cemento portland resistente a los sulfatos (obtenido ajustando la composición química de la mezcla de materias primas).

• Cementos portland con puzolánico (hechos mezclando o moliendo una puzolana, ejem. ceniza de cascara de arroz o ceniza volante, en proporciones de 15 a 40% del peso, ahorrando así en cemento y mejorando algunas de sus propiedades).

• Cemento portland de alto horno (hecho mezclando escoria de alto horno granulado molido, obteniendo endurecimientos más lentos y resistencia al sulfato).

• Cemento de oxicloruro de magnesio ó cemento sorel (obtenido calcinado carbonato de magnesio, logrando mayor resistencia que el OPC, pero es atacado por el agua).

• Cemento aluminoso (obtenido calcinando piedra caliza y bauxita, logrando resistencias más tempranas, óptima resistencia al sulfato, buena resistencia al ácido, y resistente al calor hasta los 1300°; pero es tres veces mas caro que el OPC y no es adecuado para concretos estructurales).

Hidratación del Cemento

• El agua reacciona en la superficie de los granos de cemento y se difunde hacia el interior alcanzando al cemento que no ha reaccionado. Por ello, mientras mas finos son los granos más rápida será la reacción.

• El agua en el espacio capilar entre los granos es llenada con los productos del proceso de hidratación. Mientras se emplea más agua, mayor es el espacio que necesita ser llenado, y si no hay suficientes productos de hidratación, los poros capilares permanecerán, debilitando el cemento. Por ello, para obtener una buena resistencia es importante una correcta relación agua-cemento.

• Durante la hidratación, la cal se libera. Esta se endurece (combinándose con el CO₂) muy lentamente y se expande, causando grietas y fallas en el concreto. Añadiendo una puzolana, esta forma un aglomerante hidráulico, que fragua y endurece como el cemento.

• El fraguado (que significa rigidez) se realiza en 45 minutos, pero el endurecimiento (que significa el desarrollo de la resistencia) toma varias semanas. Por ello, las especificaciones se basan en las resistencias obtenidas después de 28 días.

• Debido a que fraguan rápidamente, las mezclas de cemento deben emplearse tan pronto como sea posible.

• En climas calientes, los cementos se secan demasiado rápidos y deben mantenerse húmedos por dos semanas como mínimo.

Aplicaciones

• El cemento es empleado como un aglomerante para diversos materiales orgánicos e inorgánicos, ejem. suelo-cemento, bloque de arena-cemento, tableros de cemento-fibra.

• Principalmente es empleado junto con arena y grava (y refuerzos) para producir concreto (reforzado).

• Es empleado con arena y malla de tela metálica (o fibras) para producir ferrocemento (o concreto de fibra).

• Los morteros y enlucidos son hechos de cemento y arena, a menudo mezclados con cal para trabajar mejor Con una arena muy fina es empleado para maestra.

• Se puede hacer una pintura de cemento mezclado con bastante agua.

Ventajas

• Los cementos pueden alcanzar resistencias extremadamente altas, generalmente no son afectados por el agua, y no se contraen ni dilatan significativamente.

• Los cementos son resistentes al fuego y a los daños biológicos, si se mantienen limpios.

• Las construcciones de cemento tienen un gran prestigio.

• Con respecto a la producción de cemento en pequeña escala descentralizada, las ventajas son poca inversión de capital; uso de carbón de piedra o coke más baratos; bajos costos de transporte, debido a las menores distancias para el consumidor; baja sofisticación técnica, proporcionando así oportunidades de trabajo incluso para mano de obra no calificada; adaptabilidad a las demandas del mercado; capacidad de usar diferentes materias primas y de producir diferentes productos cementosos; incrementan las industrias alrededor de la planta.

Problemas

• En la mayoría de países en desarrollo, el cemento aún es demasiado caro para la mayor parte de la población, y usualmente es escaso.

• El almacenamiento requiere gran cuidado para evitar un fraguado prematuro.

• Las grietas ocurren en condiciones secas calientes debido al rápido fraguado o a las fluctuaciones de temperaturas.

• Los sulfatos y sales pueden causar un rápido deterioro.

• Debido a la gran reputación del cemento, a menudo se emplea para hacer morteros super-resistentes, que causa fragilidad o morteros porosos con escasa durabilidad.

Soluciones

• Es posible incrementar el abastecimiento y reducir los costos introduciendo plantas de cemento descentralizadas de pequeña escala.

• Mejorar los métodos de embolsado y almacenamiento en condiciones secas, pero también una rápida rotación de inventarios puede evitar desperdicios por un fraguado prematuro.

• Un curado húmedo apropiado evita el agrietamiento, y se emplean cementos especiales para evitar daños producidos por sulfatos y sales.

• El empleo innecesario e incorrecto del cemento puede reducirse incrementando la difusión de la información e incrementando el empleo de la cal, ejem. para mejorar la calidad de las mezclas de cemento.

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