Procesamiento y activación de materiales cementicios suplementarios (SCM): Materiales de reemplazo de cemento y tecnología de activación de arcilla
Los materiales cementicios suplementarios (SCM) son materiales sustitutivos de cemento ampliamente utilizados que sustituyen parte de la piedra caliza o del tradicional clínker de cemento Portland en cemento y hormigón. El uso de materiales cementicios suplementarios (SCM) es una de las palancas más eficaces para reducir las emisiones de CO₂ porque la producción de clínker genera grandes cantidades de CO₂: primero por la reacción química durante la calcinación de la caliza, y segundo por la demanda energética del proceso de horno a altas temperaturas. Al sustituir, por ejemplo, una parte del clínker por SCM, se requiere menos clinker, lo que reduce directamente las emisiones de CO₂ relacionadas con el proceso. Además, muchos SCM son subproductos industriales o recursos minerales disponibles localmente, lo que puede reducir el consumo de recursos vírgenes y apoyar los principios de economía circular.
| Sustitutos de Clinker & Cemento Portland |
|---|
| Las conchas marinas contienen grandes cantidades de cal y, una vez molidas, se pueden usar de manera similar a la caliza sin quemar. |
| Cenizas volantes: Debido a la disminución del uso de centrales eléctricas de carbón, la disponibilidad de cenizas volantes está disminuyendo constantemente. |
| Las arcillas calcinadas se pueden calcinar a 800 °C. Aunque el CO2 se libera durante la calcinación -similar a la cocción de piedra caliza- las temperaturas requeridas son significativamente más bajas. |
| Escorias: Se reciclan los materiales de desecho de la producción siderúrgica. Sin embargo, estos procesos industriales son cada vez más eficientes, reduciendo la disponibilidad de escorias. |
| Las cenizas de los desechos alimenticios, como las cáscaras de arroz, se pueden usar para reemplazar el cemento Portland. |
| Los residuos de la minería pueden incluso aumentar la resistencia del cemento dependiendo de su composición. La ventaja radica en la conservación de los recursos, ya que los residuos se reutilizan, por ejemplo, en lugar de arena natural. |
| Los residuos de demolición pueden procesarse (molerse finamente) y activarse para su uso a nivel del cemento como SCM, lo que permite la reducción del clinker al tiempo que se reciclan eficientemente los recursos minerales. |
| El vidrio usado se puede utilizar como SCM, materia prima que sustituye al cuarzo. |
Homogeneización de escorias como materiales cementicios suplementarios (SCM)
La caracterización fiable en laboratorio de materiales cementicios suplementarios (SCM) basados en escoria comienza con una preparación consistente de la muestra. Las escorias suelen ser muy inhomogéneas y pueden contener residuos metálicos, por lo que los componentes magnéticos deben eliminarse primero antes de su procesamiento posterior. Para la trituración y homogeneización, las trituradoras de mandíbula se utilizan típicamente para la pre-trituración, seguidas de molinos de bolas o el Cross Beater Mill SK 300 para la molienda fina. Al seleccionar la trituradora de mandíbula adecuada, los factores clave son el tamaño inicial de las partículas, la cantidad de muestra y la finura final deseada.
Un enfoque pre-trituración en dos pasos en la trituradora de mandíbula —primero usando un hueco ancho y luego uno estrecho— suele ser más rápido que forzar material directamente a través de un hueco estrecho. Piezas de muestra de hasta aproximadamente 20 mm pueden procesarse eficientemente en el SK 300, que alcanza niveles finales de finura de unos 700 μm y, gracias a su diseño robusto y a las placas deflectoras de carburo de tungsteno, es muy adecuado para materiales abrasivos.
Los molinos de bolas son adecuados para la molienda fina de piezas de muestra de escoria de hasta un máximo de 15 mm. Aquí, de nuevo, la elección del tipo de molino y los parámetros de funcionamiento depende del tamaño inicial de la partícula, la cantidad de muestra y la finura del objetivo. Para volúmenes pequeños de hasta 20 ml, se utiliza comúnmente el MM 400. Para lotes mayores, el TM 300 puede procesar alrededor de 500 g de escoria con un tamaño de partícula de 5 mm hasta una finura final de 25 μm en pocas horas y, con tambores más grandes, puede incluso manejar más de 2 kg de muestra.
Muestras de escoria
120mm, 30 kg
BB 300
15 min | < 3 μm
15 mm, 250 g
PM 100
5 min | < 500 μm
15 mm, 200 g
SK 300
20 min | < 700 μm
5 mm, 500 g
TM 300
4 Horas | < 25 μm
Residuos de demolición
Los desechos de demolición ofrecen un potencial significativo como sustitutos de SCM y cemento para una industria cementera más eficiente en el uso de los recursos. Materiales como escombros de hormigón, Ladrillos, Cerámica y Mortero contienen componentes minerales relevantes; sin embargo, sin procesamiento, generalmente no son lo suficientemente reactivos como para usarse directamente como sustitutos de SCM o cemento. Por lo tanto, primero deben eliminarse las impurezas y las fracciones minerales deben procesarse selectivamente. Lijado fino aumenta significativamente la superficie específica, lo que mejora la reactividad del material. Al mismo tiempo, la activación mecánica puede alterar la estructura cristalina y, por lo tanto, mejorar su idoneidad como sustituto de SCM y cemento. Si esto no es suficiente, la reactividad puede aumentarse aún más mediante activación química.
Es importante diferenciar entre los tipos de materiales: hormigón triturado a menudo exhibe baja reactividad natural y, por lo tanto, típicamente requiere una activación más fuerte para funcionar como un SCM. En contraste, los residuos de ladrillos ya pueden contener fases reactivas puzolánicamente debido a su contenido de arcilla cocida y, por lo tanto, a menudo son más fáciles de usar como SCM y sustitutos del cemento; sin embargo, generalmente todavía requieren una clasificación cuidadosa y Lijado fino.
De esta manera, los SCM derivados de residuos de demolición pueden ayudar a reemplazar el clinker, reducir las emisiones de CO2 y cerrar los ciclos de materiales en la industria de la construcción.
Escombros de hormigón 12 mm, 45 kg
TM 500
3 Horas | 100 μm
Escombros de hormigón 4 mm, 200 g
PM 100
20 min | 100 μm
Fragmentos de ladrillo 8 mm, 2 kg
TM 300
1 Horas | 40 μm
El material tiende a aglomerarse en el RS 200 y obstruye los tamices finos en el SK 300; por lo tanto, se recomiendan molinos de bolas que funcionen a velocidades moderadas y la adición de algunas gotas de etanol.
Vidrio reciclado
El vidrio reciclado puede desempeñar un papel importante en la industria cementera como SCM, ayudando a reducir las emisiones de CO2 y conservar los recursos naturales. Cuando el vidrio reciclado se muele muy finamente, forma un polvo de vidrio que puede desarrollar propiedades puzolánicas y, por lo tanto, usarse como SCM. Los requisitos clave para su uso como SCM incluyen un alto grado de finura, una composición química adecuada y una calidad consistente del material de entrada.
Además de su uso como SCM, el vidrio reciclado también se puede utilizar como materia prima en la producción de clínker, sustituyendo cuarzo; sin embargo, en esta aplicación sólo sustituye a las materias primas minerales y no se considera un sustituto del cemento. Otra aplicación es su uso como agregado en hormigón.
Por lo tanto, el vidrio reciclado demuestra cómo las materias primas secundarias pueden hacer que la industria cementera sea más sostenible y eficiente en el uso de los recursos.
40 mm, 1 kg
BB 50
2 min | 2 mm
50 mm, 100 g
RS 200
10 min | 100 μm
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Procesamiento de piedra caliza sin quemar, conchas marinas y pozzolanas como materiales sustitutos de cemento
Varios materiales de reemplazo de cemento mineral pueden procesarse con equipos estándar de molienda de laboratorio de cemento. La piedra caliza sin quemar se procesa idealmente utilizando trituradoras de mandíbula seguidas de molinos de bolas. Las conchas marinas también consisten principalmente en CaCO₃, pero son más finas que las muestras típicas de piedra caliza y, por tanto, pueden ser pretrituradas eficientemente mediante molinos de corte y molidas finamente en el Ultra Centrifugal Mill ZM 300; el rotor de 6 discos para molinos de corte es adecuado para este propósito, y en el ZM 300 se pueden usar rotores resistentes al desgaste, recubiertos de carburo de tungsteno, así como tamices de distancia. Materiales cementicios complementarios más blandos, como los pozolanes o materiales volcánicos como la piedra pómez, también se procesan mediante molinos de rotores como el ZM 300 para volúmenes de hasta 5 l o el SR 300 para cantidades de muestra mayores. Para aberturas de tamiz inferiores a 1 mm, los ciclones facilitan la descarga de la muestra y ayudan a prevenir la formación de polvo.
Conchas marinas & Caliza sin quemar
50 mm, 100 g
BB 50
1 min | 2 mm
80 mm, 1 kg
Pretrituración SM 200
Molienda fina ZM 300
3 min | 0,3 μm
5 mm, 200 g
SR 300
45 s | < 500 μm
2 mm, 90 g
ZM 300
2,5 min | 0,1 mm
Materiales Cementicios Suplementarios de Origen Vegetal (SCM) y Materiales de Reemplazo de Cemento Derivados de Ceniza
Los materiales vegetales derivados de la ceniza, especialmente aquellos procedentes de residuos de la industria alimentaria como las cáscaras de arroz, pueden servir como materiales cementicios suplementarios (SCM) y materiales sustitutos de cemento. Pueden homogeneizarse de la misma manera que las escorias o la piedra caliza. El SK 300, resistente al desgaste, es especialmente adecuado para muestras abrasivas, mientras que para molienda fina por debajo de 500 μm se utilizan molinos de bolas (para muestras pequeñas a medias) o molinos de tambor (para cantidades mayores). También deben analizarse las materias primas de origen vegetal (por ejemplo, cáscaras de arroz, pellets de cáscara de semillas de girasol o residuos de paja); los molinos de corte se utilizan para la reducción preliminar de tamaño, seguidos por el ZM 300 o, para volúmenes mayores, el SR 300 para la molienda fina. Para muestras fibrosas, siempre deben considerarse ciclones, ya que enfrían el material, mejoran la descarga de la muestra y previenen la formación de polvo; La alimentación lenta y constante o el uso de tamices a distancia también ayudan a reducir la acumulación de calor. El sistema de alimentación DR 100 permite una introducción de muestras más fácil y consistente. Si es necesario reducir el contenido de fibra de la muestra molida, los tamices en los molinos de corte o en el SR 300 pueden instalarse en orientación inversa, o se puede reducir la velocidad del rotor en los molinos de rotores. Para el análisis XRF, se requiere un molienda muy fina —a menudo por debajo de 50 μm»; Si los molinos de bolas o de rotores son más adecuados depende del análisis posterior, ya que los molinos de bolas ofrecen resultados más finos pero tardan más y pueden generar más abrasión metálica [3]. Si la abrasion no es crítica, la regla general para resultados reproducibles de la XRF es: cuanto más fina, mejor.
La finura de las partículas en los pellets depende del tipo de molino utilizado.
Si es necesario reducir el contenido de fibra de la muestra molida, los tamices de los molinos de corte o del SR 300 se pueden instalar en sentido inverso, o bien se puede reducir la velocidad del rotor en los molinos rotatorios. Para el análisis XRF, se requiere una molienda muy fina, a menudo por debajo de 50 µm; si los molinos de bolas o los molinos de rotor son más adecuados depende del análisis posterior, ya que los molinos de bolas proporcionan resultados más finos pero tardan más y pueden generar más abrasión del metal [3]. Si la abrasión no es un factor crítico, la regla general para obtener resultados reproducibles mediante XRF es: cuanto más fino, mejor. [2]
Muestras de plantas
Cáscaras de nuez 40 mm, 500 g
SK 300
7,5 min | 150 mm
Cáscaras de arroz 8 mm, 200 g
ZM 300
8 min | 0,5 mm
Ceniza de cáscaras de arroz 15 mm, 450 g
SK 300
2 min | 1 mm
Pellets de cáscara de semillas Sunflowe 30 mm, 500 g
ZM 300
15 min | 0,5 mm
Paja 20 mm, 300 g
SR 300
7 min | < 200 μm
Mecanoquímica se encuentra con el cemento:
Alternativas a la calcinación de arcilla y tecnología de activación para arcillas
Las arcillas activadas están entre los materiales cementicios suplementarios (SCM) más prometedores porque están disponibles globalmente, pueden ser obtenidas localmente y permiten una reducción significativa del clínker. Tradicionalmente, las arcillas reactivas se producen mediante calcinación de arcilla, pero la activación mecanoquímica es una tecnología emergente que puede ofrecer una alternativa convincente en ciertas aplicaciones. La activación mecanoquímica de la arcilla —especialmente utilizando molinos de bolas como el PM 100 o el PM 300— utiliza energía mecánica para alterar la estructura cristalina, permitir la amorfización y aumentar la reactividad, haciendo que una amplia variedad de tipos locales de arcilla sean utilizables como materiales sustitutos de cemento. El PM 100 y el PM 300 son ideales para este proceso a escala de laboratorio y piloto. Los estudios muestran que las arcillas activadas mecánicamente son más finas, estructuralmente modificadas y más químicamente reactivas que las arcillas calcinadas, especialmente aquellas con un alto contenido de mica. Un elemento clave del control de procesos en tecnología de activación es el sistema GrindControl, que mide continuamente la temperatura y la presión dentro del tarro de molienda, ayuda a prevenir el sobrecalentamiento y proporciona información importante sobre las reacciones mecanoquímicas. Los sensores son compatibles con varios tamaños de frascos. Durante la activación de la arcilla, la temperatura y la presión aumentan significativamente, lo que indica la liberación de gases y la transformación de minerales; esta monitorización es esencial para controlar la reactividad y garantizar una calidad consistente del producto SCM. Los datos también pueden respaldar conclusiones sobre la composición de la arcilla: por ejemplo, los materiales con mayor contenido de dolomita generan mayores presiones debido a la liberación de CO₂ [1].
Reactividad de diferentes arcillas tras la activación térmica y mecánica; el aumento de presión en GrindControl refleja el contenido de dolomita
Un estudio [2] examina cómo la entrada de energía durante la activación mecanoquímica influye en la reactividad química de las arcillas, con especial atención a los molinos de bolas planetarios. El molino de bolas planetarias es una herramienta de laboratorio preferida porque permite ajustar con precisión parámetros clave como la velocidad de rotación, la proporción de bola-pólvora y la duración del fresado. Al analizar casi 100 puntos de datos, los investigadores identificaron una fuerte correlación entre la entrada de energía y la reactividad resultante de la arcilla. La reactividad química aumenta rápidamente con un aumento de la entrada de energía hasta unos 100 kJ/g, mientras que los aumentos posteriores muestran solo efectos adicionales menores. En términos prácticos, el molino planetario de bolas PM 300 —operado a altas velocidades como 850 rpm— ofrece ventajas significativas al maximizar la entrada de energía y acelerar el proceso de activación de materiales cementicios suplementarios (SCM) a base de arcilla.
En un diseño de experimento en la Universidad de Bath se probaron diferentes condiciones de molienda en molinos de bolas planetarios para evaluar la mejor configuración de parámetros para la mayor activación de arcilla con un consumo mínimo de energía. Parece que son beneficiosas mayores relaciones de bolas a polvo de 25, junto con una mayor velocidad de al menos 600 rpm. En solo 20 min se logró una notable reactividad, con un consumo de energía más bajo de solo 0,22 kWh (resultados con permiso de la Dra. Ilda Tole).
Curiosamente también el molino de discos vibratorio RS 200 se puede utilizar para la activación de arcilla, aunque a tasas de activación ligeramente más bajas. Aquí resultó ser beneficioso si el nivel de llenado no es demasiado alto – 40 g de muestra fueron óptimos. Una vez más, mayor velocidad de 1400 rpm parece ser beneficioso. El tiempo y el consumo de energía estaban en el mismo rango que para los molinos de bolas planetarios.
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Procesamiento y activación de materiales cementicios suplementarios (SCM): Materiales de reemplazo de cemento y tecnología de activación de arcilla - Preguntas frecuentes
¿Qué son los materiales cementicios suplementarios (SCM)?
Los materiales cementicios suplementarios (SCM) son materiales sustitutos del cemento que sustituyen una porción de piedra caliza y/o clínker tradicional de cemento Portland en cemento y hormigón.
¿Por qué los materiales cementicios suplementarios (SCM) ayudan a reducir las emisiones de CO₂?
Reducen la cantidad de clínker necesaria. La producción de clínker es intensiva en CO₂ debido a la reacción de calcinación de la piedra caliza y a la alta demanda energética del proceso en horno, por lo que sustituir el clínker por SCM directamente reduce las emisiones relacionadas con el proceso y puede apoyar el uso de recursos en economía circular.
¿Qué materiales pueden usarse como SCM y qué afecta a su disponibilidad?
Ejemplos incluyen escorias, cenizas volantes, pozolenas/rocas volcánicas (por ejemplo, piedra pómez), piedra caliza sin quemar, conchas marinas (ricas en CaCO₃), cenizas procedentes de residuos de la industria alimentaria como cáscaras de arroz, arcillas calcinadas y relaves mineros. La disponibilidad puede cambiar con las tendencias industriales: por ejemplo, una producción más eficiente de acero puede reducir la disponibilidad de escoria, y la reducción de la generación de energía con carbón puede limitar el suministro de ceniza volante.
¿Cómo funciona la activación de la arcilla y en qué se diferencia de la calcinación de arcilla?
Tradicionalmente, las arcillas reactivas se producen mediante calcinación de arcilla a 800 °C, mientras que la activación mecanoquímica es una tecnología de activación que aumenta la reactividad de la arcilla mediante la molienda (por ejemplo, en molinos planetarios de bolas PM 100 o PM 300). La energía mecánica modifica la estructura cristalina, promueve la amorfización y puede hacer que una gama más amplia de arcillas locales sea utilizable. El control de procesos puede ser soportado con GrindControl (monitorización de temperatura/presión).
Referencias
1] Tole, I., Delogu, F., Qoku, E., Habermehl-Cwirzen, K., & Cwirzen, A. (2022). Enhancement of the pozzolanic activity of natural clays by mechanochemical activation. Construction and Building Materials, 352, 128739.
[2] Alastair T.M. Marsh, Sreejith Krishnan, Suraj Rahmon, Sisan A. Bernal and Xinyuan Ke; Relationsship between milling input energy and chemical reactivity for mechanochemical activation of clays; Royal Society of Chemistry 2025, DOI: 10.1039/d5mr00088b
[3] Permission for picture usage by Rigaku Europe SE