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Desarrollo de aditivos de molienda aumentadores

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Published on March 8, 2014

Author: calitos1978

Source: slideshare.net

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DESARROLLO DE ADITIVOS DE MOLIENDA AUMENTADORES DE LAS RESISTENCIAS A COMPRESIÓN INICIALES PARA CEMENTOS PORTLAND CON PUZOLANAS ALEJANDRO PÉREZ VELÁZQUEZ DR. INGENIERO QUÍMICO, PROQUICESA ALICIA GUZMÁN DE LA MATA DRA. CIENCIAS QUÍMICAS, PROQUICESA JULIÁN MARTÍN RUBIO INGENIERO QUÍMICO, PROQUICESA Este trabajo se enmarca en un amplio proyecto global de investigación llevado a cabo por el departamento de I+D+i de nuestra compañía, enfocado al diseño y desarrollo de aditivos de molienda aumentadores de las resistencias a compresión iniciales en cementos portland de adición. En él se presentan los resultados obtenidos, tanto a escala de planta piloto como a nivel industrial, en el estudio específico de cementos portland con puzolanas (los resultados de los estudios sobre cementos adicionados con otros materiales serán objeto de futuros artículos), el cual se realizó para tres tipos de cementos de distinta procedencia y con diferentes grados de adición puzolánica (en el rango de 15 % - 30 % en peso). Los datos muestran cómo la familia de aditivos formulados en base a la combinación de aminas de síntesis y sales metálicas, alcanzaron los objetivos de aumento de resistencias iniciales propuestos en todos los casos de estudio, presentando resultados similares en planta piloto y a escala industrial. Además, los aditivos ensayados se comportaron como eficaces coadyuvantes de molienda en las pruebas industriales realizadas, reduciendo el consumo energético y aumentando sensiblemente la producción de los molinos industriales. 14 Junio 2007 / Nº 902 ISSN: 0008-8919. PP 14-30 .:

1. Introducción nar en presencia de agua y a temperatura ambiente con el hidróxido de calcio generado en la hidratación de los silicatos En el año 2006 la producción de cemento en España de los cementos, y formar productos de reacción insolubles superó los 53 millones de toneladas, lo que representó un y de elevada estabilidad. Los materiales puzolánicos incluyen incremento de entorno al 7% respecto a 2005 y la conso- a las puzolanas naturales y calcinadas, las cenizas volantes lidó en la primera posición del ranking europeo. Igualmente, silíceas y el humo de sílice [4-8]. durante el año 2006 España fue también el primer consumidor de cemento del continente, y quinto del mundo, con 56 Históricamente, el empleo de las puzolanas tiene su ori- millones de toneladas y una tasa de crecimiento superior al gen en las civilizaciones griega y romana, donde se fabricaba 8% con respecto al anterior ejercicio, confirmando así la ten- un “cemento de puzolana” mezclando cal viva con cenizas dencia registrada durante los últimos años. Ese desfase entre volcánicas procedentes de canteras situadas en Puzzuoli, el aumento de la producción y el crecimiento experimentado cerca del Vesubio. Actualmente, las puzolanas se definen por el consumo, ha convertido además a nuestro país en el como “sustancias naturales de composición silícea o sílico- primer importador de cemento de Europa y el segundo del aluminosa o combinación de ambas, compuestas esen- mundo, con un aumento del 15% en las importaciones de cialmente por dióxido de silicio reactivo (SiO2), en cantidad cemento y clínker [1-2]. no inferior al 25% en masa, y óxido de aluminio (Al2O3). El resto contiene óxido de hierro (Fe2O3) y otros óxidos”, y su La necesidad de los fabricantes de cemento españoles empleo en la industria cementera española ha ido creciendo de mantener la competitividad de su producto frente a países en los últimos años. Así, desde el año 1996 su consumo ha con menores costes de producción, unida a la de tener que aumentado un 13%, y en la actualidad, de las 46 fábricas de salvar las restricciones medioambientales impuestas por el cemento existentes en España, 10 fabrican cementos adicio- Protocolo de Kyoto, se ha convertido en uno de los retos más nados con puzolana [9]. importantes de nuestro sector cementero de cara a los próximos años. Y ante ello, la fabricación de cementos de adición, La principal propiedad de este tipo de adición, responsable con un menor contenido en clínker, se perfila como una de las de las mejoras tecnológicas añadidas al cemento hidratado, es soluciones más adecuadas, y viables a corto y medio plazo. su actividad puzolánica que consiste en una reacción química entre la parte silico-alumínica de la adición y la portlandita Inicialmente, el empleo de adiciones minerales en los (hidróxido de calcio), originada en la hidratación del cemento, cementos surgió para satisfacer la demanda de materiales fruto de lo cual se generan silicatos cálcicos hidratados, del con mejor durabilidad y resistencia en medios agresivos. mismo tipo de los que forman los compuestos del cemento Posteriormente, han cobrado importancia las necesidades de portland cuando reaccionan con el agua. La formación de ahorro energético, o de reducción de emisiones de CO2 a la estos silicatos cálcicos hidratados da lugar a una estructura atmósfera procedente de la fabricación de clínker. Además final más homogénea y compacta, que no sólo mejora las en algunos casos, como las escorias de alto horno, las ceni- resistencias mecánicas, sino también la durabilidad del mate- zas volantes o el humo de sílice, el empleo de las adiciones rial. Además, el aporte de puzolana disminuye las proporcio- permite la gestión adecuada de materiales contaminantes nes de aluminato tricálcico y ferroaluminato tetracálcico en procedentes de otros sectores industriales [3-4], fomentando el cemento final, dando lugar a materiales más resistentes, el desarrollo de la denominada construcción sostenible. Así, adecuados para hormigones expuestos al ataque de sulfatos de los 75 tipos cementos con marca N de AENOR comercia- o al agua de mar. Sin embargo, como cualquier adición, la lizados en España en 2007, sólo 16 se fabrican sin incorporar puzolana produce un efecto dilución en las fases C3S y C2S adiciones minerales a su composición. del clínker, lo que provoca procesos de endurecimiento más lentos, presentando unos valores de resistencia a compresión En particular, los materiales puzolánicos se clasifican como adiciones minerales activas, ya que son capaces de reaccio- Junio 2007 iniciales (1-7 días) menores a los que presenta los cementos portland puros. 15

En este sentido, el desarrollo de aditivos de molienda con ciones), como la caracterización de dichas materias efecto aumentador de las resistencias a compresión (RC) primas y del propio cemento. En base a la informa- iniciales del cemento ha adquirido especial relevancia en los ción aportada y a nuestra dilatada experiencia en este últimos tiempos, habiéndose convertido en un campo de campo, se elabora toda una planificación experimen- investigación de sumo interés para el sector cementero. Las tal a escala planta piloto, la cual engloba el muestreo prestaciones de este tipo de aditivos van encaminadas a la de aditivos ya comercializados por nuestra empresa, obtención de cementos de adición que mantengan buenos el diseño de nuevas formulaciones específicas para desarrollos de RC, sobre todo a edades cortas de curado. Las cubrir las necesidades en ese caso puntual, los ensa- especies empleadas en la formulación de estos productos yos de molienda a realizar y la caracterización de los puede afectar significativamente al proceso de hidratación cementos resultantes. del cemento, dando lugar a alteraciones en el desarrollo de resistencias o en el proceso de fraguado [10-16], lo que con- II) Estudio a escala de planta piloto: Tras el desarrollo fiere a este tipo de aditivos unas características especialmente de la experimentación, se selecciona aquel aditivo o adecuadas para la consecución de los objetivos anteriormente aditivos que evidencian unas mejores prestaciones expuestos en el caso de los cementos de adición. en esta fase del proyecto, diseñados en cada caso específicamente para la aplicación objeto de estudio. En el contexto de la permanente labor de I+D+i de Estos aditivos constituyen una solución técnica a las PROQUICESA, hace años emprendimos un ambicioso proyec- necesidades del cliente y se proponen como objeto to global de investigación de aditivos de molienda aumenta- de estudio para la siguiente, y decisiva, fase del pro- dores de las RC iniciales para cementos portland de adición, yecto: las pruebas industriales. dentro del cual se integra el estudio específico de diseño y desarrollo de aditivos aumentadores de resistencias para III) Pruebas industriales asistidas: En esta etapa se cementos portland con puzolanas. En el presente artículo se contrastan en la práctica industrial los resultados condensan los resultados más significativos de dicho estudio, obtenidos a escala de planta piloto, validando así en concreto sobre tres cementos portland con puzolanas, el aditivo o aditivos seleccionados en cada caso. de diferente procedencia y con diferentes grados de adición Durante la prueba industrial, el fabricante de cemento (entre 15 % y 30 % en peso) de este material. cuenta en todo momento con la plena asistencia técnica del personal especializado de PROQUICESA, el cual se desplaza hasta sus instalaciones y participa 2. Procedimientos y materiales empleados activamente durante todo el desarrollo de la misma, colaborando de manera eficaz en su ejecución con el 2.1 Procedimiento operativo general personal responsable de la propia fábrica designado a tales efectos. El procedimiento operativo seguido en el estudio que aquí presentamos fue el habitualmente desarrollado por PROQUICESA para el diseño de aditivos de molienda “a 2.2 Procedimiento experimental a escala de planta piloto medida” para los tipos de cemento y necesidades específicos de un cliente, el cual consta esencialmente de tres etapas generales: Para la etapa de estudio desarrollada a escala de planta piloto, el procedimiento operativo seguido se esquematiza en forma de diagrama de flujo en la Figura 1. I) Contacto con el cliente: En el que se definen los objetivos del estudio y se acuerda la recepción, tanto Las operaciones de molienda de los materiales se rea- de las materias primas empleadas en la fabricación lizaron en dos etapas independientes: la primera de ellas del cemento objeto de estudio (clínker, yeso y adi- consistió en una trituración de dichos materiales en un molino 16 Junio 2007

Figura 1.- Diagrama de flujo del procedimiento experimental seguido a escala planta piloto. CLÍNKER YESO PUZOLANA Control de la Temperatura y el Rendimiento del Molino PREMOLIENDA FORMULACIÓN Y FABRICACIÓN DE LOS ADITIVOS ENSAYOS DE MOLIENDA CEMENTO MOLIDO Ensayos Físicos Normalizados Rechazo 32 Resistencia a compresión Consistencia Normal Vicat...etc. de martillos, con un tamaño de partícula de salida entre 1 y 2 res o incluso la temperatura de operación. De esta manera, mm, simulando el proceso en la primera cámara del molino las operaciones de molienda en planta piloto se llevaron a industrial; posteriormente se realizó la molienda propiamente cabo durante el tiempo establecido para cada experimento y dicha, que se realizó en nuestro molino de bolas monocáma- empleando ~10 Kg. de material (anteriormente premolido), ra, con operatividad en discontinuo (Figura 2). prestando especial cuidado en la composición del cemento a moler. En estas operaciones se desarrolló un cuidado procedimiento operativo, que reproduce con el máximo grado de En cada ensayo se añadió el aditivo directamente en el fidelidad las condiciones de operación de la molienda a escala interior del molino, justo antes del comienzo de la operación, industrial, teniendo en cuenta variables tales como la carga de simulando fielmente las condiciones en las que se dosifica- cuerpos moledores, la relación cuerpos moledores/material ción en las cintas transportadoras a la entrada de los molinos a moler, la distribución de tamaños de los cuerpos moledo- industriales. Figura 2.- Molino de bolas, Planta piloto de PROQUICESA. Una vez concluido el tiempo de molienda requerido para cada ensayo, se paró el molino y se descargó su contenido, separando el cemento de las bolas con la ayuda de una criba y, finalmente, el cemento obtenido en cada caso se introdujo en recipientes de almacenamiento listo para ser caracterizado. Todos los ensayos de caracterización de los cementos fabricados a escala planta piloto, se llevaron a cabo de acuerdo a las diferentes Normas Europeas: Finura Blaine y Residuo a 32 µm (Norma UNE-EN 196-6); Densidad Volumenómetro de Le Chatelier (Norma UNE 80-103-86); Tiempos de Fraguado (Norma UNE-EN 196-3). La determinación de las RC se realizó según la Norma UNE-EN 196-1. Así, con los diferentes cementos obtenidos Junio 2007 17

Figura 3.- Molde de probetas para los ensayos de RC. Figura 4.- Baño para el curado de las probetas. se elaboraron los correspondientes morteros y se enmolda- cemento resultante de su combinación, se muestra en la ron las probetas (Figura 3), las cuales pasaron a una cámara Tabla 1. húmeda para su curado. A partir de ahí, se fueron extrayendo para su rotura a diferentes edades (Figura 4). La elevada adición puzolánica que presentan estos cementos (de hasta el 30 % en peso), les confiere unas características par- 2.3 Materiales empleados ticulares que es necesario tener en cuenta en la formulación de los diferentes aditivos de molienda a emplear. Por ello, la caracte- Los materiales empleados en el desarrollo de este estudio rización de los materiales (aportada por las fábricas de cemento) resultó de vital importancia para el desarrollo de la investigación. de diseño de aditivos de molienda aumentadores de las RC de cementos portland con puzolanas, fueron clínker, yeso y puzolana procedentes de tres fábricas de cemento diferentes A continuación, en las Tablas 2 y 3 se muestran los datos (una española y dos extranjeras). La nomenclatura emplea- de caracterización de los diferentes tipos de clínker y puzolana da en este estudio para estos materiales, así como para el empleados en la elaboración de los cementos. Tabla 1.- Composición de los cementos objeto de estudio. Clínker Cemento Puzolana Yeso Tipo (%) Tipo (%) Tipo (%) Cemento 1 CK 1 80.0 P1 15.0 YESO 1 4.0 Cemento 2 CK 2 71.0 P2 25.0 YESO 2 5.0 Cemento 3 CK 3 64.0 P3 30.0 YESO 3 6.0 Tabla 2.- Composición de los tipos de clínker empleados en el estudio (Composición en % peso). Fases Cristalográficas (Bogue) Clínker CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO3 CaO(l) C3S C2S C3A C4AF CK 1 - - - - - 1,1 65,5 13,5 6,0 10,4 CK 2 65,7 21,8 4,6 3,3 0,4 1,2 60,9 16,6 6,7 10,1 CK 3 65,9 21,2 5,1 3,2 0,5 2,1 57,6 17,5 8,1 11,1 18 Junio 2007

Tabla 3.- Caracterización de los tipos de puzolana empleadas en el estudio (Composición en % peso). Puzolana SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O PxC P1 - 12.1 3.1 2.1 - - - 9.2 P2 69.0 13.4 1.8 2.4 0.7 3.6 3.6 4.8 P3 69.0 14.0 1.5 0.5 0.5 4.0 3.7 5.0 Como se puede observar, a pesar de la diferente proce- las relaciones moleculares óptimas que dan lugar a las mejores dencia de los materiales, las características de composición de prestaciones del producto, al verse influenciado por diversas los mismos, tanto para el clínker, como para la puzolana son variables, entre las que se encuentran las propias características similares, lo que les hace especialmente apropiados para el del cemento sobre el que se empleen. Por ello, y siempre desarrollo de este tipo de estudio comparativo. basándonos en nuestra experiencia y know-how en el caso de la aplicación objeto de estudio, cementos portland con puzolanas, En la Tabla 4 se muestran las propiedades físicas de los se emplearon formulaciones de aditivos en base a aminas de cementos objeto de estudio en la presente investigación. síntesis y sales metálicas, cuya adecuada combinación, tanto en Estas propiedades corresponden a los cementos fabricados a tipo de especie como en concentración de las mismas dieron escala industrial en las plantas de los clientes. lugar a un aditivo estable químicamente que combinó la acción coadyuvante de molienda y fluidificante del cemento con un En este caso, las diferencias entre los diferentes tipos de efecto aumentador de las resistencias iniciales del mismo, cemento son significativas, sobre todo en términos de finura, afectando adecuadamente tanto a la densidad de carga puesta donde las necesidades del cliente vienen definidas por el merca- en juego en las operaciones de molturación de sólidos, como do y las características propias de cada sistema de producción. a la fuerza iónica del medio acuoso en el que se desarrolla la hidratación inicial de las fases del clínker. Así, las principales Cada uno de los cementos presentados fue objeto de un diferencias existentes entre los aditivos seleccionados fueron los pormenorizado estudio, en los cuales se probaron numero- principios químicos activos empleados en su formulación, y/o la sas formulaciones siguiendo el procedimiento experimental concentración de estos, que dieron lugar a diferentes prestacio- anteriormente descrito. No obstante, para la experimentación nes sobre los cementos portland con puzolanas. realizada en planta piloto, se muestran a modo de resumen los resultados obtenidos con tres de los aditivos probados Finalmente, es necesario señalar que para cada experimento en cada estudio, nombrados como ADITOR X-Y, donde X se eligieron como parámetros de respuesta todos los habituales representa el estudio o tipo de cemento analizado; e Y indica en una investigación de esta naturaleza, tanto para la valoración un número de referencia para el aditivo empleado en cada del efecto del aditivo sobre las características de los cementos estudio. Siguiendo esta nomenclatura, el ADITOR 1-2 corres- fabricados, como para la determinación del rendimiento de pondería al aditivo número 2 empleado en el estudio 1. los procesos de molienda a realizar. Así, para cada uno de los cementos fabricados en la planta piloto, se controlaron variables El efecto de la interacción entre las especies químicas pre- como la Finura (Blaine, Residuo 32 µm), Agua de Consistencia sentes en este tipo de aditivos no es fácil de estimar, al igual que Normal, Tiempos de Fraguado (Vicat), o Rendimiento del Molino Tabla 4.- Características físicas de los cementos objeto de estudio. Cemento Blaine (cm2/g) R32 µm (%) R45 µm (%) CN (%) F.I. (min) F.F. (min) Cemento 1 4000 7.7 - 31.6 140 200 Cemento 2 5200 - 1.1 31.5 110 205 Cemento 3 4500 - - 33.1 180 240 Junio 2007 19

). No obstante, se prestó especial atención a los Con el objetivo de establecer unas condiciones de operación resultados de RC de los morteros preparados con los diferentes estándar que permitieran observar la influencia de los cambios cementos fabricados. Los resultados de los ensayos de RC nos realizados en la formulación de los aditivos, siguiendo los pará- permitieron evaluar el efecto conjunto de la adición de puzolana metros de respuesta anteriormente mencionados, en cada caso y la incorporación de un aditivo con efecto aumentador de las se eligió un valor típico de dosificación de aditivo de 1000 ppm, resistencias iniciales (de 1 a 7 días). siempre basándonos en nuestra experiencia en la realización de (KWh /Tm cem este tipo de estudio. Así mismo, se realizaron algunos experimentos previos para definir el tiempo de molienda a fijar para la fabri- 3. Resultados cación de los cementos objeto de estudio, en aras de reproducir lo más fielmente posible las características de finura propias de A continuación se presentan los resultados obtenidos en los cementos del cliente. Para ello, se estudió la evolución de la el estudio de diseño y desarrollo de aditivos de molienda con finura Blaine y el residuo a 32 µm con el tiempo de molienda, ya propiedades aumentadoras de las resistencias a compresión que estos parámetros de finura son los habitualmente emplea- iniciales para cementos portland con puzolanas. Dichos resul- dos en el control de calidad de las fábricas. tados comprenden tanto los obtenidos en la experimentación llevada a cabo en la planta piloto de PROQUICESA, como los En la Tabla 5 se muestran los valores de consigna para cada alcanzados en las diferentes pruebas industriales llevadas a unos de los estudios realizados, así como el tiempo de molien- cabo en las respectivas fábricas de origen de los cementos da empleado en los desarrollos a escala de planta piloto. objeto de estudio. Los ensayos de caracterización de los cementos fabricados En la presentación y discusión de estos resultados se en nuestra planta piloto, se llevaron a cabo de acuerdo a las muestran por separado, en forma de tablas, los resultados de diferentes Normas Europeas (EN), lo que permitió obtener resul- las propiedades físicas y de las propiedades mecánicas de los tados comparables a los obtenidos en los laboratorios del cliente. cementos aditivados. No obstante, como se ha mencionado No obstante, y ante el gran número de variables en juego a la anteriormente, para el desarrollo de esta investigación se hizo hora de la realización de los experimentos, todos los ensayos especial hincapié en los valores de RC, en las edades compren- de caracterización realizados, fueron referenciados a los reali- didas entre 1 y 7 días de curado, de los cementos fabricados zados en idénticas condiciones sobre los cementos sin aditivar con los diferentes aditivos. Así, en las figuras presentadas se (blancos), de forma que fuera posible valorar de forma fiable las muestran los valores de RC (en MPa) y de porcentaje de mejo- mejoras alcanzas con la incorporación de los distintos aditivos. ra de RC (% Δ RC, calculado en cada caso como la diferencia entre las resistencias medidas en las probetas preparadas con aditivo, y las de aquellas otras preparadas sin éste) obtenidos 3.1 Estudio 1 – Cemento 1. Adicionado con un 15 % de puzolana para cada serie de probetas preparadas con diferentes aditivos. Estas representaciones plasman en cada caso las mejoras Desarrollo a escala de Planta Piloto alcanzadas con la dosificación del aditivo a la molienda de cemento, permitiendo valorar de forma clara y directa el efecto de éstos. El objetivo perseguido en esta etapa de la experimentación fue determinar qué formulación de los aditivos emplea- Tabla 5.- Condiciones de operación de proceso de molienda. Estudio Consigna R32 µm (%) Tiempo de molienda (min) Estudio 1 - 7.7 60 Estudio 2 5200 - 105 Estudio 3 20 Consigna Blaine (cm2/g) 4500 - 35 Junio 2007

dos resultó óptima en la aplicación a los cementos tipo 1 que provoca que el efecto del aditivo en la molienda se centre fabricados en nuestra planta piloto, con una adición de un en favorecer la molturación de la fase más dura, el clínker, 15 % de puzolana, tanto como coadyuvante de molienda reduciendo el rechazo y homogeneizando la distribución del como aumentador de las resistencias iniciales del cemento. tamaño de partícula. Por esto, los resultados de Blaine han de ser tratados con precaución a la hora de evaluar la finura En la Tabla 6 se muestran las características físicas de los de un cemento portland de adición, siendo una medida más cementos fabricados en esta etapa del estudio, quedando fiable la del ensayo de residuo en el tamiz de 32 µm. reflejado los resultados de los ensayos de caracterización de finura, consistencia normal y fraguados. Los resultados de los ensayos de consistencia y fraguado, muestran cómo la incorporación de los aditivos aumentó Los resultados obtenidos en los ensayos de Residuo a 32 ligeramente la demanda de agua de los cementos, lo que µm mostraron claramente el efecto coadyuvante del aditivo de pudo ser debido a la ganancia mostrada en la finura y la molienda empleado, ya que el rechazo en el tamiz disminuyó homogeneidad de la distribución de tamaño de partícula con la incorporación de los aditivos en todos los casos, ganando antes comentada. Sin embargo, las modificaciones en las for- en algunos de los cementos ensayados hasta 1.5 % menos de mulaciones empleadas no afectaron significativamente a los rechazo en el tamiz, bajo iguales condiciones de molienda. tiempos de fraguado, que se mantienen en valores similares. Sin embargo, la evolución de los resultados de la finura Estos resultados ponen de manifiesto cómo el aumento Blaine presentó variaciones en el intervalo del error experi- de las resistencias iniciales del cemento, provocando la acele- mental, sin poder apreciarse el efecto coadyuvante del aditivo. ración del proceso de hidratación y endurecimiento, puede no Esto se debe a la diferencia de molturabilidad que presentan estar acompañado de una aceleración del fraguado, objetivos el clínker y la puzolana, que da origen a un cemento cuya ambos que hoy día se pueden afrontar de forma indepen- distribución de tamaño de partícula está repartida en dos frac- diente en función de las especies químicas presentes en la ciones fácilmente diferenciables (las correspondientes al CK, formulación del aditivo empleado en la molienda industrial de mayor tamaño, y a la adición, de menor tamaño) [17], lo [11-14]. Tabla 6.- Características físicas de los cementos tipo 1 fabricados en planta piloto. Aditivo Dosificación (ppm) Blaine (cm2/g) R32 µm (%) CN (%) F.I. (min) F.F. (min) Blanco 0 6120 6.4 30.0 155 215 Aditor 1-1 1000 5900 4.9 31.6 145 195 Aditor 1-2 1000 6030 5.6 31.6 140 195 Aditor 1-3 1000 6140 5.6 31.6 140 200 Tabla 7.- Resultados de resistencias a compresión de los cementos tipo 1 fabricados en planta piloto. Resistencias a Compresión. RC Aditivo 1 Día 2 Días 3 días 7 Días RC Δ RC Δ RC RC Δ RC Δ RC RC Δ RC Δ RC RC Δ RC Δ RC (MPa) (MPa) (%) (MPa) (MPa) (%) (MPa) (MPa) (%) (MPa) (MPa) (%) Blanco 14.1 - - 25.1 - - 28.6 - - 37.7 - - Aditor 1-1 16.4 2.3 16.3 26.4 1.3 5.2 29.7 1.1 3.8 38.4 0.7 1.9 Aditor 1-2 16.9 2.8 19.9 26.8 1.7 6.8 n.d. - - 38.3 0.6 1.6 Aditor 1-3 16.5 2.4 17.0 27.5 2.4 9.6 30.2 1.6 5.6 39.2 1.5 4.0 Junio 2007 21

En la Tabla 7, se presentan los resultados de RC obtenidos Finalmente hay que señalar que, en el caso de las RC a para las probetas elaboradas con los cementos fabricados, 7 días de los cementos aditivados, la disminución del % de añadiendo 1000 ppm de los diferentes aditivos desarrolla- mejora observada en la Figura 5C no es reflejo de una perdida dos. de actividad del aditivo, sino que se debe al aumento de los valores absolutos de dichas RC, manteniendo en todos los Como se puede observar, todos los aditivos ensayados alcanzaron el objetivo inicialmente propuesto de mejora de casos un aumento significativo de las mismas en términos absolutos respecto al cemento sin aditivar. las resistencias a compresión a edades cortas de curado con respecto al cemento de referencia (blanco), poniendo de Prueba industrial del ADITOR 1-3 manifiesto el efecto ejercido por la combinación de aminas y sales metálicas en la hidratación inicial del clínker. El objetivo de esta etapa del estudio fue doble, por un lado comprobar el grado de adecuación de las condiciones Los resultados de RC iniciales obtenidos para las pro- de ensayos desarrolladas en la Planta Piloto de PROQUICESA betas elaboradas con los aditivos probados se representan para el desarrollo de este tipo de investigación, y por otro el gráficamente en la Figura 5. En este tipo de representación estudio y optimización de la dosificación del ADITOR 1-3 en se muestran los resultados de la siguiente forma: A) Gráfica las condiciones reales de operación del cliente. La evaluación lineal (representación habitual); B) Diagrama de barras, que de estos parámetros en planta, resulta de vital importancia permite observar claramente el aumento en los valores de RC en la valoración técnica y económica del aditivo objeto de en relación al blanco; y C) Gráfica de porcentaje de mejora estudio, y constituye sin duda la parte más importante del de RC de las probetas preparadas. De esta forma, es posible proyecto. valorar los resultados obtenidos, sin la necesidad de solapar un número excesivo de datos. A continuación, en la Tabla 8, se muestran los resultados de RC obtenidos en la prueba industrial realizada con En la Figura 5A y 5B se aprecia con claridad cómo todos el ADITOR 1-3, presentando los valores de RC obtenidos los aditivos aumentan las RC obtenidas por el cemento de a la dosificación óptima, resultado del estudio realizado referencia a todas las edades, mostrando aumentos de RC durantes las pruebas industriales, que en este caso fue de que oscilan entre 1.1 y 2.8 MPa respecto al cemento de refe- 500 ppm. rencia, lo que corresponde a valores de mejora de RC entre el 5 y el 20 % entre 1 y 3 días de curado (Figura 5C). Como se ve, el comportamiento del aditivo a escala industrial demostró unas prestaciones muy similares en cuanto a A la vista de los resultados obtenidos, el aditivo ADITOR aumento de RC a las mostradas a escala de planta piloto. Esto 1-3 fue el que resultó con mejores prestaciones para pone de manifiesto la adecuación de las condiciones de aná- el cemento 1, mostrando una mejor adecuación de su lisis empleadas por PROQUICESA para este tipo de estudio. formulación a las características de las materias primas Desde un punto de vista cuantitativo, la extrapolación de los empleadas y composición del cemento, dando lugar a una resultados obtenidos en la planta piloto fue de casi el 100 %, sensible mejora de las RC del blanco a todas las edades con aumentos de las RC del cemento fabricado comprendido ensayadas. entre 1.4 y 2 MPa entre 1 y 7 días de curado. Tabla 8.- Resultados de resistencias a compresión del Cemento 1 fabricado en prueba industrial. Aditivo Cemento Blanco Aditor 1-3 22 Dosificación Resistencias a Compresión. RC (MPa) (ppm) 1 Día 2 Días 7 Días Cemento 1 - 13.7 24.1 39.0 Cemento 1 500 15.7 25.7 40.4 Junio 2007

Figura 5.- RC iniciales (MPa) de las probetas preparadas con los cementos tipo 1 aditivados: A) diagrama de líneas; B) Diagrama de barras; C) % Mejora en RC de dichos cementos respecto al cemento de referencia (sin aditi- RC (MPa) var). 45 A) 40 35 30 25 20 Blanco Aditor 1-1 Aditor 1-2 Aditor 1-3 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 RC (MPa) Tiempo (dias) 45 B) 40 Blanco Aditor 1-1 Aditor 1-2 Aditor 1-3 35 30 25 20 15 10 5 0 1 2 3 7 % Mejora en RC Tiempo (dias) 25 C) Aditor 1-1 Aditor 1-2 Aditor 1-3 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Tiempo (dias) Junio 2007 23

Además, es necesario señalar que en las condiciones de de finura obtenida por el método Blaine. Sin embargo, la producción de la planta en la que se desarrollaron las pruebas, evolución de los resultados de la finura Blaine con la incorpo- el ADITOR 1-3 se mostró como un eficaz aditivo de molienda ración del aditivo presentó variaciones en el intervalo del error reduciendo sensiblemente los consumos energéticos de la experimental, sin poder apreciarse el efecto coadyuvante del operación, y aumentando la producción del molino en los aditivo, debido a las desviaciones originadas por los cementos valores demandados por el cliente. adicionados en este ensayo de caracterización de la finura. 3.2 Estudio 2 – Cemento 2. Adicionado con un 25 % de puzolana de consistencia y fraguado, muestran cómo la incorporación Para los cementos tipo 2, los resultados de los ensayos de los aditivos aumenta ligeramente la demanda de agua de Desarrollo a escala de Planta Piloto los cementos, debido a la ganancia de finura y la homogeneidad de la distribución de tamaño de partícula ya comen- En la Tabla 9 se muestran las características físicas de los cementos tipo 2 fabricados en esta etapa del estudio. tada. Además, las formulaciones empleadas disminuyen los tiempos de fraguado, debido a la combinación de sales empleadas, que afectaron en este caso tanto al desarrollo de Los resultados obtenidos en los ensayos de Residuo a resistencias como a los tiempos de fraguado. 32 µm mostraron de nuevo el efecto coadyuvante del aditivo de molienda empleado, ganando en algunos de los cementos ensayados hasta un 1.4 % menos de rechazo en el tamiz. A continuación, en la Tabla 10 y Figura 6, se presentan los resultados de RC obtenidos para las probetas elaboradas con los cementos tipo 2 fabricados, añadiendo 1000 ppm de los Los datos de finura Blaine mostraron valores muy supe- diferentes aditivos desarrollados para este estudio. riores a los mostrados por los cementos tipo 1, con menor adición de puzolana, ya que la puzolana al ser un material En este caso, para los cementos adicionados con un más fácilmente molturable, aumenta la fracción de finos del 25 % de puzolana, el ADITOR 2-2 es el que mostró mejo- cemento al aumentar su concentración, alterando el valor res resultados, aumentando sensiblemente las RC de los Tabla 9.- Características físicas de los cementos tipo 2 fabricados en planta piloto. Aditivo Dosificación (ppm) Blaine (cm2/g) R32 µm (%) CN (%) F.I. (min) F.F. (min) Blanco 0 5800 2,4 30,0 105 180 Aditor 2-1 1000 5710 1,0 30,2 75 125 Aditor 2-2 1000 5660 1,3 30,4 95 130 Aditor 2-3 1000 5550 1,9 30,8 100 140 Tabla 10.- Resultados de resistencias a compresión de los cementos tipo 2 fabricados en planta piloto. Resistencias a Compresión. RC Aditivo 1 Día 2 Días 3 días 7 Días Blanco RC Δ RC Δ RC RC Δ RC Δ RC RC Δ RC Δ RC RC Δ RC Δ RC (MPa) (MPa) (%) (MPa) (MPa) (%) (MPa) (MPa) (%) (MPa) (MPa) (%) 9.6 - 16.9 - 21.0 - 32.9 - Aditor 2-1 10.6 1.0 10.4 20.1 3.2 18.9 25.6 4.6 21.9 34.8 1.9 5.8 Aditor 2-2 12.9 3.3 34.4 22.6 5.7 33.7 27.8 6.8 32.4 37.4 4.5 13.7 Aditor 2-3 11.7 2.1 21.9 20.8 3.9 23.1 27.2 6.2 29.5 36.0 3.1 9.4 24 Junio 2007

Figura 6.- RC iniciales (MPa) de las probetas preparadas con los cementos tipo 2 aditivados: A) diagrama de líneas; B) Diagrama de barras; C) % Mejora en RC de dichos cementos respecto al cemento de referencia (sin aditi- RC (MPa) var). 40 A) 35 30 25 20 15 Blanco Aditor 2-1 Aditor 2-2 Aditor 2-3 10 5 0 RC (MPa) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Tiempo (dias) 40 B) 35 Blanco Aditor 2-1 Aditor 2-2 Aditor 2-3 30 25 20 15 10 5 0 1 2 3 7 % Mejora en RC Tiempo (dias) 40 C) 35 Aditor 2-1 Aditor 2-2 Aditor 2-3 30 25 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Tiempo (dias) Junio 2007 25

Tabla 11.- Resultados de resistencias a compresión del Cemento 1 fabricado en prueba industrial Aditivo Cemento Aditivo en uso Cemento 2 Aditor 2-2 Cemento 2 Resistencias a Compresión. RC (MPa) Dosificación (ppm) 1 Día 3 Días 7 Días 3000 17.2 30.9 39.7 1500 19.2 32.1 39.6 cementos tipo 2 a todas las edades de curado ensayadas. En Además, es necesario señalar que en las condiciones de la Figura 3, se muestra como el ADITOR 2-2 aumenta las RC producción de la planta en la que se desarrollaron las pruebas, del cemento sin aditivar en 3.3, 5.7, 6.8 y 4.5 MPa a 1, 2, 3 el ADITOR 2-2 mejoró también las condiciones de operación y 7 días, respectivamente (Figura 6A y 6B), lo que supone de la molienda, reduciendo los consumos energéticos y porcentajes de mejora superiores al 30 % entre 1 y 3 días aumentando en más de un 15 % la producción del molino de curado (Figura 6C). con una dosificación de 1500 ppm. Prueba industrial del ADITOR 2-2 En este caso, la comprobación del grado de extrapolación de los resultados obtenidos en planta piloto en relación a las En la Tabla 11, se muestran los resultados de RC obte- prestaciones mostradas por los aditivos en términos de RC nidos en la prueba industrial realizada con el ADITOR 2-2, a escala industrial, solo pudo realizarse de forma cualitativa, presentando los valores de RC obtenidos a la dosificación aunque resultó tener un grado de aproximación elevado. resultado del estudio realizado durantes las pruebas industriales llevadas a cabo, que fue de 1500 ppm. En este caso, la Por último es necesario señalar que, a pesar de poseer un comparación de las prestaciones del aditivo objeto de estudio mayor grado de adición de puzolana, este cemento presenta unas no se realizó respecto al blanco, sino empleando como refe- resistencias a compresión iniciales similares a las del cemento 1. rencia las prestaciones mostradas por el aditivo que actual- Esto puede ser debido a la mayor consigna en su finura, con unos mente estaba en uso en la fábrica, un aditivo de molienda valores de residuo a 45 µm de 1.1 %. La consecución de dicha aumentador de las RC iniciales de otro fabricante competidor consigna a nivel de producción es posible en gran parte por la de PROQUICESA. acción coadyuvante de molienda mostrada por el aditivo. Como se puede observar, el comportamiento de nuestro aditivo desarrollado a escala de planta piloto demostró mejo- 3.3 Estudio 3 – Cemento 3. Adicionado con un 30 % de puzolana res prestaciones en el cemento 2 que el aditivo de la competencia que estaba actualmente en uso en la fábrica. Así, el Desarrollo a escala de Planta Piloto ADITOR 2-2 aumentó las RC del cemento adicionado con un 25 % de puzolana en 2 MPa a 1 día y 1.2 MPa a 2 días, res- Siguiendo el mismo procedimiento experimental que en los pecto a las RC obtenidas con el otro aditivo, pero empleando casos anteriores, en la Tabla 12 se muestran las características la mitad de dosificación. físicas de los cementos fabricados en esta etapa del estudio. Tabla 12.- Características físicas de los cementos tipo 3 fabricados en planta piloto. Aditivo Dosificación (ppm) Blaine (cm2/g) R32 µm (%) CN (%) F.I. (min) F.F. (min) Blanco 0 4750 18.6 30.2 185 240 Aditor 3-1 1000 4660 16.4 29.0 120 175 Aditor 3-2 1000 4720 15.6 30.0 130 185 Aditor 3-3 1000 4770 16.7 30.0 165 235 26 Junio 2007

Figura 7.- RC iniciales (MPa) de las probetas preparadas con los cementos tipo 3 aditivados: A) diagrama de líneas; B) Diagrama de barras; C) % Mejora en RC de dichos cementos respecto al cemento de referencia (sin aditi- RC (MPa) var). 30 A) 25 20 15 Blanco Aditor 3-1 Aditor 3-2 Aditor 3-3 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 RC (MPa) Tiempo (dias) 30 B) 25 Blanco Aditor 3-1 Aditor 3-2 Aditor 3-3 20 15 10 5 0 % Mejora en RC 1 80 2 3 7 Tiempo (dias) C) 70 Aditor 3-1 Aditor 3-2 Aditor 3-3 60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Tiempo (dias) Junio 2007 27

Tabla 13.- Resultados de resistencias a compresión de los cementos tipo 3 fabricados en planta piloto. Resistencias a Compresión. RC Aditivo 1 Día 2 Días 3 días 7 Días RC Δ RC Δ RC RC Δ RC Δ RC RC Δ RC Δ RC RC Δ RC Δ RC (MPa) (MPa) (%) (MPa) (MPa) (%) (MPa) (MPa) (%) (MPa) (MPa) (%) Blanco 5.3 - - 11.8 - - 14.9 - - 25.4 - - Aditor 3-1 9.2 3.9 73.6 15.9 4.1 34.7 20.4 5.5 36.9 27.8 2.4 9.4 Aditor 3-2 7.3 2.0 37.7 13.7 1.9 16.1 17.9 3.0 20.1 27.2 1.8 7.1 Aditor 3-3 7.0 1.7 32.1 12.9 1.1 9.3 18.2 3.3 22.1 27.6 2.2 8.7 En este caso, la incorporación de los aditivos disminuyó el rechazo en el tamiz a 32 µm hasta en un 3.0 % respecto al prueba industrial, la cual tendrá lugar en las próximas semanas. cemento de referencia. Sin embargo, la evolución de los resultados de la finura Blaine fue similar que en los casos anteriores. Por otra parte, para los cementos tipo 3, el efecto de las sales 3.4 Evaluación del grado de optimización de los aditivos desarrollados incorporadas a la formulación de los aditivos originó la disminución de los tiempos de fraguado, mostrando su efecto sobre el Por último, con el objetivo de determinar las mejoras periodo de inducción en la hidratación de las fases del clínker. alcanzadas durante el desarrollo de proyectos de investigación independientes para cada tipo de cemento, se realizó la eva- A continuación, en la Tabla 13 y Figura 7, se presentan los resultados de RC obtenidos para las probetas elaboradas con luación del grado de optimización conseguido en los estudios presentados. los cementos tipo 3 fabricados, añadiendo 1000 ppm de los diferentes aditivos desarrollados. Teniendo en cuenta que los aditivos ADITOR 1-1, ADITOR 2-1 y ADITOR 3-1 poseen formulaciones similares al pro- En este caso, el ADITOR 3-1 es que mostró mejores ducto actualmente comercializado por PROQUICESA como resultados, aumentando en 3.9, 4.1, 5.5 y 2.4 MPa las RC del aditivo de molienda aumentador de resistencias iniciales en el cemento sin aditivar a 1, 2, 3 y 7 días, respectivamente (Figura cemento: ADITOR CEM ARI-03® [18], y que esta formulación 7A y 7B), lo que supone porcentajes de mejora superiores al resultó óptima en el Estudio 3, la comparación de las pres- 70 % a 1 día, manteniéndose en unos valores de incremento taciones mostradas por las mejores formulaciones obtenidas de entorno al 35 % hasta los 3 días de curado (Figura 7C). en los Estudios 1 y 2 respecto al ADITOR CEM ARI-03®, fue utilizada como medida de la eficacia de este tipo de planifica- A fecha de elaboración de este artículo, el Estudio 3 se encuentra pendiente de la realización de la correspondiente ción experimental en la optimización de las prestaciones de un aditivo formulado “a medida” en cada tipo cemento. Tabla 14.- Evaluación del grado de optimización en base a los resultados de resistencias a compresión. Estudio Puz. (%) Óptimo Resistencias a Compresión. RC (MPa) Aditivo 2 Días Blanco ARI-03 Óptimo 7 Días (1) Δ RC (%) Blanco ARI-03 Óptimo Δ RC (%)(1) Estudio 1 15 Aditor 1-3 25,1 26,4 27,5 4.4 37,7 38,4 39,2 3.4 Estudio 2 25 Aditor 2-2 16,9 20,1 22,6 14.8 32,9 34,8 37,4 7.9 (1) Δ RC (%) respecto a los resultados obtenidos por el aditivo ARI-03 (aditivo resultado óptimo del Estudio 3, actualmente comercializados por PROQUICESA, y cuya composición fue probada en todos los estudios) 28 Junio 2007

En la Tabla 14 se muestran los resultados obtenidos de reproducibilidad en su extrapolación al plano en dicha comparación, presentando los valores de RC industrial. Por esto, las condiciones de opera- alcanzados en cada caso: por el cemento sin aditivar ción definidas por nuestro Dpto. I+D+i para los (blanco), por el cemento aditivado con ADITOR CEM ARI- ensayos de molienda llevados a cabo a escala de 03®, y por el cemento aditivado con el aditivo de mejores Planta Piloto, permitieron reproducir fielmente los prestaciones (óptimo) resultante del estudio. Además, cementos fabricados a nivel industrial, a partir de para cada caso se añade el valor de porcentaje de mejora sus materiales originales. ofrecido por los aditivos óptimos desarrollados durante estos proyectos, respecto a la formulación del citado • ® ADITOR CEM ARI-03 . En relación a las propiedades físicas de los cementos fabricados durante el desarrollo del presente estudio, la incorporación de los aditivos provocó, de forma Como se puede observar, el desarrollo de aditivos “a general, un descenso de los valores de residuo a 32 medida” consiguió optimizar la formulación del aditivo µm, dejando patente el efecto coadyuvante y fluidifi- empleado en los Estudios 1 y 2, alcanzando significativos cante del cemento presente en la formulación de los aumentos de las RC de las probetas ensayadas, respecto aditivos empleados. no solo al cemento de referencia, sino también respecto a otros aditivos de amplio espectro de aplicación • Las especies químicas empleadas en la formulación ensayados, aún cuando éstos mostraron muy buenos de la familia de aditivos desarrollados para cementos resultados. portland con puzolanas, en base a aminas y sales metálicas, resulta adecuada para el aumento de las Así, podemos concluir que la consideración y estudio RC iniciales de este tipo de cementos. En los casos de las características de las materias primas emplea- objetos de estudio, los aditivos desarrollados dieron das en la fabricación de los cementos y los desarrollos lugar a aumentos de 4-5 MPa en los cementos con experimentales a escala de planta piloto, constituyen dos un 30 % de puzolana; aumentos de 6-7 MPa en los herramientas fundamentales en el desarrollo de aditivos cementos con un 25 % de puzolana; o aumentos de mejoradores de la calidad para este tipo de cementos ∼2 MPa en los cementos con un 15 % de puzolana, portland de adición. lo que implica mejoras de las RC de los cementos de referencia (sin aditivar) de hasta un 20 %, un 70 % o un 35 % en los cementos tipo 1, 2 y 3, respectiva- 4. Conclusiones En el marco de nuestras investigaciones globales para mente. • La optimización de la composición del aditivo, en tér- el diseño de aditivos de molienda aumentadores de RC ini- minos de concentración y tipo de especies químicas ciales en cementos de adición, el análisis de los resultados empleadas, permitió en todos los casos estudiados obtenidos en los estudios que aquí se presentan, sobre mejorar sensiblemente las prestaciones del mismo, cementos portland con puzolanas naturales (P), pone de siendo el resultado de esta optimización diferente manifiesto la eficacia de los aditivos desarrollados, tanto a en cada caso, debido a la influencia de la diferente nivel de planta piloto, como a nivel industrial. Así, de todo naturaleza de las materias primas empleadas en la lo expuesto anteriormente se pueden obtener las siguien- fabricación de cada tipo de cemento, aún cuando tes conclusiones: corresponden a un mismo tipo normalizado. Esto pone de manifiesto la importancia de desarrollar adi- El procedimiento operativo de experimentación tivos “a medida” para cada tipo de cemento, lo que desarrollado por PROQUICESA permitió obtener permite optimizar realmente el funcionamiento de resultados representativos y con un alto grado • éstos en cada aplicación. Junio 2007 29

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