Compromiso con un futuro sostenible: Cemento Verde
Matteo Pernechele y Murielle Goubard, de Malvern Panalytical, explican el papel fundamental que tiene la tecnología de difracción de rayos X para hacer realidad el cemento ecológico.
Introducción
La sostenibilidad es una prioridad cada vez más importante en el sector del cemento. A pesar de desafíos como los altos precios del combustible, la escasez de materiales cementicios suplementarios (SCM), y las regulaciones sobre agua y electricidad, existen oportunidades alentadoras. El Sistema de Comercio de Emisiones de la Unión Europea está ayudando a mitigar la escasez de recursos y reducir las emisiones de carbono. Además, una comprensión mejorada del impacto y rendimiento de los combustibles alternativos y materiales primarios alternativos han abierto puertas para nuevos procesos y materiales. De hecho, las soluciones para producir cementos ecológicos y descarbonizar la industria del cemento a corto y medio plazo son la co-incineración de combustibles alternativos y la reducción del clínker en el cemento utilizando nuevos materiales cementicios suplementarios (SCM, por sus siglas en inglés). Para que esto suceda, el análisis mineralógico con difracción de rayos X es esencial para seleccionar los materiales primarios y SCMs adecuados, optimizar el procesamiento pirolítico y sus productos intermedios, controlar la mezcla y maximizar los SCMs en los cementos verdes finales.
La fabricación de cemento es un proceso complejo. La fabricación del cemento Portland común comienza con la extracción y molienda de materias primas que incluyen piedra caliza y arcilla en un polvo fino llamado harina cruda. Luego se calienta a una temperatura de sinterización de hasta 1450˚C en un horno de cemento. El clínker resultante se muele a un polvo fino en un molino de cemento y se mezcla con yeso para crear cemento. El cemento en polvo se mezcla luego con agua y agregados para formar el hormigón que se utiliza en la construcción.
La fabricación de cemento es un proceso intensivo en energía y recursos. Si dependiera de los gerentes de calidad, solo la harina cruda hecha de la mejor parte de la cantera de piedra caliza entraría en el horno y solo se utilizarían combustibles fósiles. Sin embargo, en los últimos años, la sostenibilidad se ha convertido en una prioridad cada vez más importante en el sector del cemento. Se están utilizando nuevos SCMs, como arcillas calcinadas, así como nuevos combustibles alternativos (AFs, por sus siglas en inglés) como biomasa, combustible derivado de desechos, residuos sólidos municipales, neumáticos, serrín y muchos otros tipos de residuos y subproductos.
El análisis mineralógico está ayudando actualmente a la industria del cemento a hacer la transición a una economía baja en carbono y más circular. Proporciona un análisis detallado para identificar soluciones para producir cementos más verdes. El análisis mineralógico completo y rápido utilizando la difracción de rayos X (XRD, por sus siglas en inglés) facilita la selección de los materiales primarios adecuados para la mezcla. Ayuda a optimizar y controlar los procesos de calcinación y clinkerización. Es la única tecnología industrial confiable y probada capaz de cuantificar el contenido amorfo de los SCMs y verificar que la composición del cemento complejo cumpla con los estándares requeridos.
La difracción de rayos X aumenta la conciencia mineralógica.
La XRD ha estado presente desde la década de 1970. Hoy en día, es la técnica preferida para identificar y cuantificar minerales y fases cristalinas de manera completamente automatizada. De hecho, es la única técnica industrial disponible para cuantificar materiales amorfos (incluidos algunos SCMs), que son sólidos que no poseen un orden más allá de unos pocos nanómetros. La falta de orden hace que estos materiales sean extremadamente reactivos y, por lo tanto, un buen SCM que puede reducir el clínker en el cemento.
Los difractómetros industriales modernos aprovechan todo el potencial de la XRD. En lugar de centrarse en un mineral específico, pueden identificar la composición mineralógica completa de los materiales en solo unos minutos. Esta mayor conciencia mineralógica se puede utilizar para mejorar aún más la calidad del clínker, producir nuevos cementos verdes y aumentar el conocimiento de plantas de procesamiento enteras. El uso actual de sistemas XRD en plantas de cemento se centra en mantener la calidad del producto y garantizar operaciones fluidas mientras se reduce la huella de carbono y el impacto ambiental general de la producción de cemento.
Combustibles alternativos
Un horno de clínker es un destino particularmente atractivo para los combustibles alternativos por varias razones. Las emisiones generadas por la combustión de los AFs se consideran neutrales y pueden ayudar a la industria a alcanzar la neutralidad de carbono, al tiempo que ayudan a eliminar los residuos municipales y los subproductos industriales. Las cenizas inorgánicas de la combustión de los AFs se incorporan al clínker, y pequeñas cantidades de otros residuos sólidos como el polvo de horno de cemento pueden agregarse al cemento.
Sin embargo, los AFs pueden ser altamente variables y pueden tener un impacto negativo en la operación del precalentador, la operación del horno y la calidad del clínker. Los sistemas XRD pueden ayudar a detectar El inicio de estas capas se puede analizar mediante la composición mineralógica del hotmeal. El uso de AFs puede modificar el gradiente de temperatura del horno y afectar la calidad del clínker. Las altas temperaturas son esenciales para garantizar la reacción entre la belita y la cal para producir alita.
Los sistemas XRD pueden monitorear fácilmente el rendimiento de esta reacción y medir con precisión la cal libre con una repetibilidad del 0.1% en peso. La cantidad de cal y periclasa debe mantenerse por debajo de ciertos límites, del 2% y del 5% en peso respectivamente. La hidratación de esos minerales está asociada con la expansión volumétrica que puede comprometer la estabilidad dimensional del cemento. La belita y alita en el clínker industrial no son fases puras, sino que contienen impurezas que, junto con el enfriamiento adecuado del clínker, estabilizan fases de alta temperatura con cinéticas de hidratación superiores. Por ejemplo, un enfriamiento inadecuado del clínker puede inducir una transformación de fase de la belita beta a la belita gamma, esta última no tiene propiedades cementicias.
La alita puede ocurrir en el clínker industrial en dos formas o polimorfos monoclinicos diferentes: alita M1 y alita M3. La mayoría de los clinkers contienen ambas formas, pero es posible favorecer la alita M1 aumentando la relación trióxido de azufre/óxido de magnesio. La alita M1 muestra una resistencia a la compresión más alta, y los sistemas XRD pueden distinguirla de la alita M3.
Uso de XRD en plantas de molienda
A medida que aumenta la cantidad de clínker producido en plantas integradas, también lo hace el número de plantas de molienda que importan clínker. Un análisis mineralógico completo del clínker importado es esencial para garantizar su calidad y evitar posibles problemas de rendimiento en el cemento.
Además, XRD se utiliza ampliamente para evaluar la calidad y dosificación adecuada de aditivos de cemento. La mineralogía y la cantidad de sulfatos de calcio deben ajustarse en relación con el contenido y tipo de aluminatos para optimizar el tiempo de fraguado, el desarrollo de resistencia y la estabilidad dimensional. Los resultados del análisis XRD pueden alinearse con el contenido de trióxido de azufre medido con fluorescencia de rayos X (XRF), con el valor añadido de diferenciar sulfatos en yeso, basanita y anhidrita.
El enfoque más prometedor para reducir las emisiones de carbono del cemento es reducir el factor de clínker: por ejemplo, reemplazando el clínker en el cemento con puzolana natural o sintética. Lo que hace pozzolánico a un material es su capacidad para reaccionar con la portlandita generada por la hidratación del cemento, aumentando su resistencia y durabilidad. La calidad de las puzolanas se define por su mineralogía, ya que algunas fases son altamente reactivas, mientras que otras son perjudiciales o inertes.
Los materiales volcánicos ricos en cuarzo, feldespatos, piroxenos y magnetita no son una buena puzolana natural. Las puzolanas ricas en esmectita y caolinita deben ser activadas térmicamente antes de ser utilizadas como SCMs. Los minerales zeolíticos como la analcima, la leucita, la chabasita, la filipsita y la clinoptilolita tienen propiedades puzolánicas adecuadas.
La calidad de la escoria granulada de alto horno (GGBS) y de las cenizas volantes también depende en gran medida de su mineralogía y de su contenido amorfo, que tienen señales XRD distintas y cuantificables. La escoria que no ha sido enfriada adecuadamente puede contener cantidades significativas de melilita y merwinita cristalinas y, por lo tanto, tener una reactividad menor. Las cenizas volantes generadas a alta temperatura pueden contener grandes cantidades de mullita, una fase sin propiedades puzolánicas. La determinación amorfa de los SCMs mediante análisis XRD proporciona una indicación mucho más rápida de la idoneidad de los SCMs en comparación con otros métodos. Además, también es totalmente automatizable.
La cantidad de clínker que puede ser reemplazada por SCMs está estrictamente regulada por estándares. Por ejemplo, la norma EN-197-1 describe los 27 tipos de cemento, cada uno con rangos bien definidos de clínker, piedra caliza, escoria, ceniza volante, puzolana, esquisto quemado, humo de sílice y otros aditivos. La versión más reciente de la norma EN-197-5 es una actualización que ahora incluye el cemento Portland compuesto CEM II/C-M y un tipo diferente de cemento compuesto CEM VI, ninguno de los cuales está cubierto por EN 197-1, cuyo uso previsto es la preparación de hormigón, mortero y lechada de una manera más sostenible.
XRD se utiliza ampliamente para verificar la mezcla y homogeneidad adecuadas del producto. Es del interés de las plantas de molienda mantenerse lo más cerca posible del límite superior permitido de SCMs, minimizando así la cantidad de clínker y el costo de producción total.
Arcilla calcinada y nuevos cementos
La sinergia descubierta recientemente entre la arcilla calcinada y la piedra caliza ha captado la atención de reguladores y productores de cemento. En Europa, la nueva norma EN 197-5 permite aumentar la sustitución de clinker hasta un 50%, lo que puede reducir las emisiones de carbono hasta en un 40% sin afectar la resistencia del cemento. Este avance es crucial en la lucha contra el cambio climático.
Para lograrlo, es esencial un análisis mineralógico preciso que identifique arcillas adecuadas para la calcinación. La caolinita y la esmectita son las únicas arcillas que, al calcinarse, desarrollan propiedades puzolánicas necesarias para mejorar el cemento. La calcinación debe realizarse en condiciones óptimas para evitar residuos no reactivos y lograr las propiedades deseadas.
Además, la menor temperatura de horno utilizada para calcinación reduce significativamente las emisiones de carbono en comparación con la producción tradicional de clinker. Estos nuevos cementos, como el LC3, son un paso adelante hacia una industria del cemento más sostenible y eficiente.
El análisis de XRD (difracción de rayos X) juega un papel crucial en este proceso, proporcionando los datos necesarios para optimizar la producción de arcilla calcinada y garantizar su mezcla adecuada con otros componentes. Este método también es útil en la producción de otros tipos de cementos innovadores, ampliando así las posibilidades para una construcción más ecológica y segura.
XRD para un futuro sostenible
La difracción de rayos X se ha convertido en un método analítico clave para controlar la calidad del clínker y los cementos. Es especialmente importante ahora, dada la necesidad urgente de alinearse con los objetivos de emisión neta cero. Esto ha llevado a la fabricación de nuevos cementos ecológicos, basados en el uso de diversos combustibles alternativos, SCMs, y adoptando un enfoque circular cuando sea posible. XRD es la única técnica que permite la cuantificación rápida, precisa y automática de la mineralogía de todos estos compuestos diferentes, por lo que los fabricantes pueden mantener un control total sobre el proceso del cemento y hacerlo lo más ecológico y rentable posible. Lo más importante es que ofrece una forma de hacer compatible la calidad, la sostenibilidad y la rentabilidad a medida que la industria del cemento busca nuevas formas de fabricar cemento ecológico.
Acerca de los autores
El Dr. Matteo Pernechele tiene un doctorado en Ingeniería de Materiales de la Universidad de British Columbia, Canadá y una Maestría en Ciencia de Materiales de la Universidad de Padua, Italia. Su trabajo abarca desde la investigación científica en el campo general de la química del estado sólido hasta proyectos industriales, especialmente en los sectores de la construcción y la minería. Matteo tiene 14 años de experiencia en difracción de rayos X y refinamiento de Rietveld. Ha estado en Malvern Panalytical desde 2018 como especialista en aplicaciones de XRD en el Centro de Competencia de Aplicaciones en Almelo, Países Bajos.
La Dra. Murielle Goubard es la Gerente de Segmento Global – Materiales de Construcción de Malvern Panalytical. Tiene una amplia experiencia en química de materiales y trabajó 15 años en el Centro de Investigación de Solvay. Tiene un profundo interés en el proceso de fabricación de cemento y ha estado involucrada en el desarrollo de aplicaciones y soluciones para plantas francesas y principales compañías cementeras europeas, mientras busca mejorar la eficiencia y la calidad del producto. Con 15 años trabajando en Malvern Panalytical, ahora es experta en materiales de construcción y está muy involucrada en soluciones para plantas de cemento ecológicas, circularidad y emisión neta cero.
Puedes encontrar más información sobre este tema en los siguientes enlaces:
Cement and Concrete Composites
Webinar grabado: Arcillas calcinadas y como analizarlas utilizando la difracción de Rayos X y método de Rietveld
Para obtener más información sobre cómo XRD puede beneficiar a su empresa en la industria cementera, contáctenos hoy mismo en inboxsa@inboxsa.com o completando el formulario debajo
