Activación mecanoquímica de materiales cementosos suplementarios (MEC) en la construcción

Introducción

La activación mecanoquímica (ACM) es una tecnología en rápido crecimiento en muchos ámbitos de la ciencia de los materiales, sobre todo en la construcción. Se basa en la aplicación de procesos mecánicos y químicos para modificar materiales. Una de las principales aplicaciones de la MCA es la activación de aditivos en el cemento, conocidos como materiales cementantes suplementarios (SCM). Estos materiales incluyen cenizas volantes, escoria granulada de alto horno, puzolanas naturales y diversas arcillas, que pueden sustituir parte del cemento Portland y, por tanto, el contenido de clinker en el cemento. Con ello se consigue una reducción significativa de las emisiones_{de CO2} durante la producción de cemento.

Antecedentes de los MCE y su importancia

La producción convencional de cemento Portland consume mucha energía y libera grandes cantidades de dióxido de carbono. Las emisiones primarias o de Alcance 1, que ascienden aproximadamente a 500 kg de_CO2 por tonelada de cemento, se generan durante la combustión del clinker a través de la descomposición del _CaCO3 en CaO y_CO2 y la combustión de combustibles fósiles o alternativos necesarios para este proceso. Las emisiones de alcance 1 representan aproximadamente entre el 85% y el 90% de la huella total de_CO2 del cemento. Minimizar el contenido de clínker en las mezclas de cemento y hormigón utilizando MEC ofrece un potencial significativo para reducir estas emisiones. Además, los SCM pueden tener un impacto positivo en la resistencia a largo plazo, la demanda de agua, la resistencia química y la trabajabilidad del cemento.

Los MCE, como las cenizas volantes, la escoria granulada de alto horno y el humo de sílice, son subproductos de otras industrias y, por tanto, contribuyen al reciclado de residuos. Aunque estos materiales tienen propiedades puzolánicas inherentes que los cualifican para su uso en mezclas de hormigón, su reactividad aumenta significativamente con la activación mecanoquímica. Además, materiales como las arcillas, que por naturaleza tienen escasas o nulas propiedades puzolánicas, también pueden ser aprovechados mediante MCA. Cuando se activan arcillas, también pueden activarse mecánicamente los materiales de desecho de los pozos existentes o las arcillas de baja calidad procedentes de la industria de la arcilla y la cerámica, ofreciendo así una producción de MCA con una eficiencia de recursos similar a la de los subproductos mencionados anteriormente.

Molino de bolas con agitador en seco Pamir de NETZSCH, diseñado para aplicaciones de molienda y dispersión de alta eficiencia. — Fig. 1: Molino de bolas con agitador seco `Pamir`

Fundamentos de la activación mecanoquímica

Activación mecanoquímica significa que se aplica energía mecánica, en forma de trituración o deformación, a un material y esta energía inicia o acelera reacciones químicas. Cuando los MEC se tratan mecánicamente, el material se tritura mediante un proceso de molienda intensivo y su superficie aumenta drásticamente. El aumento de la superficie permite que las reacciones químicas se produzcan con mayor rapidez y eficacia.

Además de aumentar la superficie, el proceso de activación mecanoquímica también provoca cambios en la estructura cristalina del material. Esto significa que las estructuras cristalinas se rompen y se crean fases amorfas reactivas, que forman fases C-S-H y C-A-H adicionales con la portlandita producida durante la hidratación del cemento. Esta formación secundaria de C-S-H puede dar lugar a mayores resistencias debido a una mayor densidad. Esto se aplica, entre otros, a materiales como las cenizas volantes, que contienen pocas fases reactivas y cuya reactividad se mejora drásticamente mediante la activación mecanoquímica.

Mecanismos de activación

La activación mecanoquímica sigue varios mecanismos básicos:

Ampliación de la superficie específica: La trituración aumenta significativamente la superficie del material, haciendo que haya más sitios de reacción disponibles.
Formación de defectos: La tensión mecánica provoca defectos y fracturas en la red cristalina, haciéndola más reactiva químicamente.
Transformación de fase: La energía mecánica puede transformar fases cristalinas estables en fases amorfas de mayor energía que son químicamente más reactivas.
Aumento de la solubilidad: La activación mecanoquímica también aumenta la solubilidad de los materiales en la matriz de cemento, lo que permite la formación adicional de las fases C-S-H y C-A-H y favorece el endurecimiento del cemento.

Aplicaciones y ventajas de la activación mecanoquímica

La aplicación de la activación mecanoquímica a los MEC ofrece muchas ventajas significativas:

Reactividad mejorada

Los MEC activados mecanoquímicamente presentan una reactividad significativamente mayor. Esto significa que reaccionan mejor con el agua y los demás componentes del cemento, optimizando así su rendimiento en la mezcla de hormigón.

Reducción del contenido de cemento

La mayor reactividad de los SCM significa que la proporción de cemento Portland convencional en una mezcla de hormigón puede reducirse aún más sin comprometer la resistencia o la durabilidad.

Sostenibilidad

La activación mecanoquímica permite utilizar más residuos minerales como materia prima secundaria para producir MEC, y en los proyectos de construcción se utiliza menos cemento Portland, que daña el clima.

Ahorro de costes

El mayor uso de MEC mediante activación mecanoquímica no sólo es respetuoso con el medio ambiente, sino también económicamente ventajoso, ya que las MEC suelen ser más baratas que el cemento Portland.

Fuente de energía

Especialmente en la activación de la arcilla, en comparación con la calcinación térmica, la MCA tiene la ventaja adicional de que en el proceso se utiliza electricidad 100% verde como fuente de energía (excluidos los procesos previos, como el secado). Esto conduce a una mayor reducción de las emisiones totales_{de CO2} en comparación con los combustibles fósiles.

Flexibilidad del proceso

Debido a que las máquinas funcionan con energía eléctrica, la puesta en marcha y el apagado no suponen un gran problema, especialmente si se compara con la calcinación en hornos rotatorios. El funcionamiento de las plantas de MCA puede compensar las fluctuaciones de la red eléctrica provocadas por las energías renovables y permitir un importante ahorro en los costes de electricidad.

Retos y evolución futura

A pesar de las prometedoras ventajas de la activación mecanoquímica, también hay retos que superar. Los estudios de activación anteriores se realizaban a menudo en molinos vibratorios o planetarios. Los parámetros del proceso y los principios de funcionamiento de estas máquinas de laboratorio no suelen ser transferibles a las plantas industriales. La activación en un molino de bolas con agitador seco ha demostrado ser una excelente alternativa. Con la serie Pamir, NETZSCH ofrece un molino de bolas con agitador seco que puede realizar tanto la molienda como la activación de varios SCM y está disponible en una amplia gama de tamaños, desde máquinas de laboratorio hasta máquinas de producción industrial.

Para la comercialización de una planta industrial completa, existen sólidas colaboraciones con thyssenkrupp Polysius GmbH en Beckum, Alemania, y con Minerva Engineering Inc. en Turquía. Como socio de reliable para la planificación, instalación y puesta en marcha de grupos de proceso completos, Polysius o Minerva realizan estas tareas en estrecha colaboración con NETZSCH.

Conclusión

La activación mecanoquímica es un método prometedor para mejorar la reactividad de los MEC y ofrece una vía sostenible y económica para revolucionar la producción de cemento en el futuro. Contribuye a la reducción de las emisiones de_CO2 en la industria cementera y abre nuevas posibilidades para el uso de subproductos industriales en la industria de la construcción. Con más investigación e innovación tecnológica, la activación mecanoquímica puede convertirse en parte integrante de la producción moderna de cemento y hormigón.