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V CURSO SIKA - ETSIMO SOLUCIONES DE INGENIERÍA CIVIL Y SU APLICACIÓN EN LA MINERÍA MODERNA

índice

1.- Fabricación y Química descriptiva del cemento. 2.- Prestaciones del cemento. 3.- Tecnologías que modifican prestaciones del cemento. 4.- Aplicaciones base cementosa en minería moderna. 5.- Conclusiones.

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1.- Fabricación y Química descriptiva del cemento. 2.- Prestaciones del cemento. 3.- Tecnologías que modifican prestaciones del cemento. 4.- Aplicaciones base cementosa en minería moderna. 5.- Conclusiones.

¿Que es el Cemento Portland?

“Conglomerante hidráulico finamente molido, que amasado con agua, fragua y endurece”

Mezcla de calizas y arcillas, principalmente, sometidas a cocción y muy finamente molida, que

tiene propiedades hidráulicas (endurece cuando se amasa con agua) dando lugar a productos

hidratados mecánicamente resistentes y estables tanto al aire como en el agua.

Constituyentes del cemento Portland.

• Clinker

• Adiciones

- Caliza - Puzolanas -Ceniza Volante

- Escoria - Humo de sílice

• Regulador de fraguado: yeso, anhidrita, etc.

• Agente de molienda

Evolución histórica del Cemento Portland.

1756. Smeaton reconstruye el faro de Eddystone con mortero

de puzolana, cal y arcilla.

1796. Parker fabrica el cemento natural

1818. Vicat explica comportamiento de estos conglomerantes

y desarrolla la via humeda

1824. Aspdin patenta el cemento Portland (nombre)

1825-1872. primeras fábricas en Inglaterra, Francia, Alemania

1880. Se estudian las propiedades hidráulicas de la escoria de alto horno

1900 los cementos portland se imponen a los naturales.

Evolución histórica del Cemento Portland en España

- 1898: 1ª fábrica,Tudela Veguín en Asturias.

- 1900: transformación de fabricas de cemento natural

a portland Cementos Rezola, en Pais Vasco.

- 1900-14: Crecimiento económico previo a la 1ª G.M.

- Crisis de 1929 y Guerra Civil (29 fábricas: 2,6 mill. Tm)

- 1950-1980: Modernización y “boom cementero” (Capacidad 33,5 mill. Tm)

- 1983: Crisis energética, repunte consumo carbón.

- 1985-1996: Consolidación sector (~ 29 mill Tm)

- 1996-2007: 2ª Modernización y 2º “boom cementero” (~ 56 mill. Tm)

- 2014: Reorganización capacidad productiva interna (~ 10 mill. Tm)

consumo per cápita 2013 = 1962…….No comment

Proceso fabricación del cemento (I). Esquema general

Proceso clinkerización / Horno

Molienda de cemento

Envasado

Materias Primas desde cantera

Molienda de materias primas

Proceso fabricación del cemento (II). Etapas críticas

Caliza (CaCO3) + Arcilas (Al2O3

. SiO2 . nH2O)

+ fuentes de: Fe, Mg, K, Na Triturado/molienda

Clinker (CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 otros) Reacción de clinkerización

Cemento = Clinker + Yeso +

Escoria alto horno/Cenizas volantes/Puzolanas/Caliza Molienda/Acabado

Proceso fabricación del cemento (III). Clinkerización

1. Calcinación:

A aproximadamente 800°C, el carbonato cálcico de la caliza (CaCO3) se disocia en dióxido de carbono (CO2) y óxido cálcico (CaO – “cal libre”)

2. Clinkerización:

La cal y los otros minerales reaccionan a temperaturas superiores a 1450°C para formar silicatos cálcicos, aluminatos cálcicos y derivados férricos de este último, formando lo que se conoce como clinker.

23 COCaOCaCO

Proceso fabricación del cemento (IV). Clinkerización

Horno

Pre-

calcinación Calcinación

Transición

Fusión (zona de sinterización)

Enfriado

Proceso fabricación del cemento (V). Enfriamiento

Enfriador de parrilla

Mayor eficiencia del proceso de enfriamiento (el aire procedente del enfriador se usa con aire precalentado en el quemador). A efectos de ahorro de costes (ahorro de fuel y mejora eficiencia de combustión se estima en torno a 0,3GJ/Tm (Martin et al.

1999)

Enfriador de satelite

10 - 11 tubos coaxiales al horno, a continuación del quemador.

Enfriamiento menos eficiente

Proceso fabricación del cemento (VI). Molienda

• El clinker enfriado (<100ºC) se mezcla con otras adiciones y se muele hasta obtener un polvo muy fino denominado cemento.

• Hay 4 Sistemas de moliendas de cemento empleados:

Molino de Bolas Molino Roller-press

Molino vertical Horomill

Proceso fabricación del cemento (VII). Molienda

• Se efectúa en molinos de bolas con dos o tres cámaras de

2 a 6 m de diámetro y 8 a 16 m de largo

• La tasa de llenado varía del 30-35 %.

• Los agentes de molienda son bolas de acero. – Para acero normal, el desgaste es de 230 a 650 g/Tn

– Para acero especiales, el desgaste es de 38 a 112 g/Tn

• Se controla por: – Rechazo en 30-40 micras

– Superficie especifica Blaine

– Granulómetro Laser.

• Molienda en: – Circuito abierto

• El material atraviesa directamente el molino

– Circuito cerrado

• El cemento pasa por un elevador que lo vierte a un separador que separa los granos gruesos

que vuelven al molino y los finos van al silo de almacenamiento.

• Agente de molienda • Un tensoactivo que evitar las aglomeraciones en la molienda. Produce una mejora de los

caudales de producción y el proceso de hidratación del cemento.

• Las capacidades de molienda varían de 5 a 500 Tn/h

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1.- Fabricación y Química descriptiva del cemento. 2.- Prestaciones del cemento. 3.- Tecnologías que modifican prestaciones del cemento. 4.- Aplicaciones base cementosa en minería moderna. 5.- Conclusiones.

Prestaciones del cemento (I). Fases mineralógicas del clinker

• C3S: Silicato tricálcico

– Desarrolla resistencias mecánicas a edades tempranas

• C2S: Silicato bicálcico

– Desarrolla resistencias mecánicas a edades últimas

• C3A: Aluminato tricálcico

– Genera gran calor de hidratación (afecta velocidades de fraguado) y participa de resistencias mecánicas a edades tempranas.

• C4AF: Ferroaluminato tetracálcico

– No desarrolla resistencias mecánicas como tal, pero está involucrado en la solubilización de silicatos a edades finales.

C3S

C2S

C3S

C3A

C4AF

Source:

Resis

ten

cia

a c

om

pre

sió

n (

N/m

m²)

Edad de curado (días)

*Valores dependientes de la eficiencia del proceso de enfríado

60%20%

10%

10%

C3S C2S

C3A

C4AF

- Responsable fraguado: Aluminato tricálcico / Sulfato cálcico (tipos)

- Edades tempranas: Silicato tricálcico / Aluminato Tricálcico

- Edades finales: Silicato bicálcico / Aluminoferrito Tetracálcico

Prestaciones del cemento (II). Fases mineralógicas del clinker

Prestaciones del cemento (III). Adiciones del cemento

• Caliza: Piedra caliza actúa como filler

(rellena los huecos) de la pasta/mortero

• Puzolana natural: proviene de rocas

volcánicas o magmáticas que contienen

sílice reactiva

• Ceniza Volante: Subproducto de la

combustión de carbón en las Centrales Térmicas.

• Escoria de alto horno: Subproducto de la

fabricación de hierro en un alto horno.

• Humo de sílice: Subproducto de la fabricación

aleaciones de ferro silicio en hornos de arco eléctrico.

• Reacción hidráulica • Clinker • Cenizas volantes, siliceas (C type)

• Hidraulicidad latente • Escoria granulada de alto horno

• Puzolanicidad

• Puzolanas naturales • Cenizas volantes, calcáreas (F type) • Humo de sílice

• Inert

• Caliza

+ Ca(OH)2

Prestaciones del cemento (IV). Adiciones del cemento

Prestaciones del cemento (V). Adiciones del cemento

Prestaciones del cemento (VI). Adiciones del cemento

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1.- Fabricación y Química descriptiva del cemento. 2.- Prestaciones del cemento. 3.- Tecnologías que modifican prestaciones del cemento. 4.- Aplicaciones base cementosa en minería moderna. 5.- Conclusiones.

Tecnologías que modifican prestaciones (I). Fraguado

FRAGUADO

Responsable fraguado:

- Aluminato tricálcico

- Sulfato cálcico· X H2O (según el tipo)

Tecnologías disponibles:

Acelerantes de fraguado:

- Minutos: Acelerantes de gunitado.

¿Como lo mido?

Minishot 8 cells & Portable!

Pulsment

Responsable fraguado:

- Aluminato tricálcico

- Sulfato cálcico· X H2O (según el tipo)

Tecnologías disponibles:

Retardadores de fraguado:

- Horas: Retardadores de morteros y hormigón con fraguado controlado o vertido continuo y prolongado (evitar juntas frias)

- Dias: Moduladores de fraguado: Requisitos de puesta en obra especiales. (Ejemplo: backfilling mortars)

Tecnologías que modifican prestaciones (II). Fraguado

FRAGUADO

Responsable Rc tempranas:

- Silicato tricálcico

- Aluminato tricálcico. (más por Q↑)

Tecnologías disponibles:

Superplastificantes:

- Reducción a/c.

- Optimizar dispersión y humectación de silicatos de cemento para rápida hidratación.

- Forzar hidratación aluminatos para liberar Tª y favorecer termodinámica de hidratación.

Acelerantes de endurecimiento:

- Química aumenta la solubilización de silicatos.

(Liq + reactivo que sólido).

- Agentes de nucleación: Precursores sol-gel.

Tecnologías que modifican prestaciones (III). Resistencias mecánicas

Rc TEMPRANA

Tecnologías que modifican prestaciones (IV). Resistencias mecánicas

Rc TEMPRANA En minería:

x 2

Responsable Rc Finales:

- Silicatos (bicálcico > tricálcico)

- Puzolanicidad adiciones

- Mecanismo Aluminoferritos

Tecnologías disponibles:

Superplastificantes:

- Reducción a/c.

- Potenciación puzolanicidad de adiciones.

Acelerantes de endurecimiento:

- Química aumenta la solubilización de silicatos.

(Liq + reactivo que sólido)

- Solubilización de fase ferrítica hidratada (Aluminoferritos).

Tecnologías que modifican prestaciones (V). Resistencias mecánicas

Rc FINALES

Responsables Durabilidad:

- Química empleada (AF, Superplastificantes)

- Rel a/c

- Adiciones (tipo de cemento)

Tecnologías que modifican prestaciones (VI). Durabilidad

DURABILIDAD

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1.- Fabricación y Química descriptiva del cemento. 2.- Prestaciones del cemento. 3.- Tecnologías que modifican prestaciones del cemento. 4.- Aplicaciones base cementosa en minería moderna. 5.- Conclusiones.

Aplicaciones:

- Refuerzo y consolidación estructural

(Hormigón proyectado)

- Conductos permanentes.(Raise Boring) (HAC alta resistencia a la abrasión)

- Rellenos (Bench&fill)

(Cemented Hydraulic Fill, CHF)

Cemented Paste Fill, CPF)

Aplicaciones en minería moderna (I). Generalidades

Aplicaciones en minería moderna (II). Hormigón proyectado

Traducción:

- Minimización de mermas ( Rebote, adherencia)

- Puesta en servicio (Mejora productividad)

- Reducción actuaciones de mantenimiento.

- SEGURIDAD.

Prestaciones críticas:

- Desarrollo de fraguado

- Desarrollo de Rc tempranas

- Durabilidad

Áridos

Aditivos Cemento

Fibras

Aplicaciones en minería moderna (III). HAC alta resistencia a abrasión

Raise Boring

Aplicaciones en minería moderna (IV). HAC alta resistencia a abrasión

Raise Boring

Aplicaciones en minería moderna (V). HAC alta resistencia a abrasión

Ár. especiales

Prestaciones críticas:

- Fluidez y relleno

- Desarrollo de Rc tempranas

- Durabilidad (abrasión)

Áridos Aditivos Cemento

Traducción:

- Mejora productividad.

- Reducción actuaciones de mantenimiento.

- SEGURIDAD.

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 10-9 10-8 10-7 10-6

5

0

m

Cement

SCM

1-100μm

sand

1–4 mm

aggregates

1-20 mm

sand

0–1mm

fines

<5μm

Water

0.1nm

chemical

admixtures

1-20nm

Size (m)

Paste

Granular

Aplicaciones en minería moderna (VI). Bench&Fill (CHF & CPF)

- Tratamiento de ganga de procesado: Tailling (relaves)

Aplicaciones en minería moderna (VII). Cemented Hydraulic Fill (CHF)

Relaves

Prestaciones críticas:

- Fluidez y relleno

- Desarrollo de Rc tempranas

- Estabilización (inertización)

Áridos Aditivos Cemento

Traducción:

- Mejora productividad.

- Reducción actuaciones de mantenimiento.

- SEGURIDAD.

Limitaciones:

- Desgaste equipos de bombeo.

- Estabilidad morteros (sangrado/decantación)

- Factor de escala (costes/prestaciones)

Aplicaciones en minería moderna (VIII). CPF (Cemented Paste Fill)

Prestaciones críticas:

- Fluidez y relleno

- Desarrollo de Rc (?)

- Estabilización (inertización)

Relave

Aditivos Cemento

Traducción:

- Mejora productividad.

- Valorización residuo (relave).

- Inertización frente a potenciales lixiviados.

- SEGURIDAD.

Limitaciones:

- Estabilidad morteros (sangrado/decantación)

- Rc edades tempranas

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1.- Fabricación y Química descriptiva del cemento. 2.- Prestaciones del cemento. 3.- Tecnologías que modifican prestaciones del cemento. 4.- Aplicaciones base cementosa en minería moderna. 5.- Conclusiones.

► Nada por aquí nada por allí. No existen productos

milagrosos que corrijan problemas de diseño o puesta en obra. Se debe prescribir conociendo limitaciones y potencialidades. Valorando las soluciones de forma integral.

Experimentos con gaseosa .Siempre hay que

demostrar previamente la factibilidad en laboratorio. Hay que conocer qué se quiere y que nivel de desviaciones serían asumibles.

► Productos con imaginación. Del

conocimiento de lo que se necesita, se puede llegar a proponer soluciones eficientes.

Conclusiones (I).

Conclusiones (II).

► Especificaciones claras. En

aplicaciones específicas, es de vital importancia que exista una correlación exacta entre los valores de diseño y la propiedad que queremos que adquiera nuestro producto.

Usos adecuados. Para aplicaciones específicas utilizar

aditivos especialmente diseñados para ello.

► Innovación en las aplicaciones. El

soporte que la química nos ofrece actualmente, nos permiten buscar y trabajar en el desarrollo de productos que abran nuevas aplicaciones dentro del sector de la mineria.

GRACIAS POR TU ATENCIÓN…..