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V CURSO SIKA - ETSIMO SOLUCIONES DE INGENIERÍA CIVIL Y SU APLICACIÓN EN LA MINERÍA MODERNA
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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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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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¿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
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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.
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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
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Proceso fabricación del cemento (I). Esquema general
Proceso clinkerización / Horno
Molienda de cemento
Envasado
Materias Primas desde cantera
Molienda de materias primas
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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
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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
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Proceso fabricación del cemento (IV). Clinkerización
Horno
Pre-
calcinación Calcinación
Transición
Fusión (zona de sinterización)
Enfriado
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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
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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
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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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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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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
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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
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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.
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• 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
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Prestaciones del cemento (V). Adiciones del cemento
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Prestaciones del cemento (VI). Adiciones del cemento
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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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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
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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
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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
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Tecnologías que modifican prestaciones (IV). Resistencias mecánicas
Rc TEMPRANA En minería:
x 2
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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
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Responsables Durabilidad:
- Química empleada (AF, Superplastificantes)
- Rel a/c
- Adiciones (tipo de cemento)
Tecnologías que modifican prestaciones (VI). Durabilidad
DURABILIDAD
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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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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
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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
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Aplicaciones en minería moderna (III). HAC alta resistencia a abrasión
Raise Boring
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Aplicaciones en minería moderna (IV). HAC alta resistencia a abrasión
Raise Boring
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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
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Aplicaciones en minería moderna (VI). Bench&Fill (CHF & CPF)
- Tratamiento de ganga de procesado: Tailling (relaves)
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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)
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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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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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► 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).
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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.
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