Cemento

El tipo de cemento más común es, con mucho, el cemento hidráulico, que se endurece por hidratación (al añadir agua) de los minerales del clínker . Los cementos hidráulicos (como el cemento Portland ) están compuestos por una mezcla de silicatos y óxidos; las cuatro fases minerales principales del clínker, abreviadas en la notación química del cemento , son:

C ₃ S: alita (3CaO·SiO ₂ );

C ₂ S: belita (2CaO·SiO ₂ );

C ₃ A: aluminato tricálcico (3CaO·Al ₂ O ₃ ) (históricamente, y todavía ocasionalmente, llamado celita );

C ₄ AF: Aluminoferrita de calcio (4CaO·Al ₂ O ₃ ·Fe ₂ O ₃ ).

Los silicatos son responsables de las propiedades mecánicas del cemento; el aluminato tricálcico y la brownmillerita son esenciales para la formación de la fase líquida durante el proceso de sinterización ( cocción ) del clínker a alta temperatura en el horno . La química de estas reacciones no se comprende completamente y sigue siendo objeto de investigación. ^{[ 8 ]}

En primer lugar, la piedra caliza (carbonato de calcio) se quema para eliminar su carbono, produciendo cal (óxido de calcio) en lo que se conoce como reacción de calcinación . Esta única reacción química es una importante fuente de emisiones globales de dióxido de carbono . ^{[ 9 ]}

CaCO₃ → CaO _{+ CO₂}

La cal reacciona con el dióxido de silicio para producir silicato dicálcico y silicato tricálcico.

2CaO + _{SiO₂ →} 2CaO · _SiO₂

3CaO + _{SiO₂ →} 3CaO · _SiO₂

La cal también reacciona con el óxido de aluminio para formar aluminato tricálcico.

3CaO _{+ Al₂O₃} → 3CaO _{· Al₂O₃}​​_​

En el último paso, el óxido de calcio, el óxido de aluminio y el óxido férrico reaccionan entre sí para formar aluminoferrita de calcio.

4CaO + Al ₂ O ₃ + Fe ₂ O ₃ → 4CaO _. Al ₂ O _3. Fe ₂ O ₃

Una forma menos común de cemento es el cemento no hidráulico, como la cal apagada ( óxido de calcio mezclado con agua), que se endurece por carbonatación en contacto con dióxido de carbono , que está presente en el aire (~  412 ppm vol. ≃ 0,04 % vol.  %). El óxido de calcio (cal) se produce a partir de carbonato de calcio ( piedra caliza o tiza ) mediante calcinación a temperaturas superiores a 825  °C (1517  °F) durante unas 10 horas a presión atmosférica :

CaCO₃ → CaO _{+ CO₂}

El óxido de calcio se consume (se apaga) mezclándolo con agua para obtener cal apagada ( hidróxido de calcio ):

CaO + H₂O _→ Ca(OH) _₂

Una vez que el exceso de agua se ha evaporado por completo (este proceso se denomina técnicamente cuajado ), comienza la carbonatación:

Ca(OH) ₂ + CO ₂ → CaCO ₃ + H ₂ O

Esta reacción es lenta, ya que la presión parcial de dióxido de carbono en el aire es baja (~  0,4  milibares). La reacción de carbonatación requiere que el cemento seco esté expuesto al aire, por lo que la cal apagada es un cemento no hidráulico y no puede utilizarse bajo el agua. Este proceso se denomina ciclo de la cal .

El cemento, químicamente hablando, es un producto que incluye la cal como ingrediente aglutinante principal, pero está lejos de ser el primer material utilizado para la cementación. Los babilonios y asirios usaban betún (asfalto o brea ) para unir ladrillos cocidos o losas de alabastro . En el antiguo Egipto , los bloques de piedra se cementaban con un mortero hecho de arena y yeso toscamente calcinado (CaSO₄ _· 2H₂O ₎ , que es yeso de París, que a menudo contenía carbonato de calcio (CaCO₃ ₎ , ^{[ 11 ].}

La cal (óxido de calcio) se utilizaba en Creta y por los antiguos griegos . Hay evidencia de que los minoicos de Creta usaban fragmentos de cerámica triturados como puzolana artificial para cemento hidráulico. ^{[ 11 ]} Nadie sabe quién descubrió por primera vez que una combinación de cal hidratada no hidráulica y una puzolana produce una mezcla hidráulica (véase también: reacción puzolánica ), pero dicho hormigón fue utilizado por los griegos, específicamente por los antiguos macedonios , ^{[ 12 ] [ 13 ]} y tres siglos después a gran escala por ingenieros romanos . ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

Existe un tipo de polvo que, por causas naturales, produce resultados asombrosos. Se encuentra en las cercanías de Baiae y en la región que rodea el Vesubio . Esta sustancia, al mezclarse con cal y escombros, no solo refuerza la estructura de edificios de diversa índole, sino que, incluso cuando se construyen pilares con ella en el mar, estos se endurecen bajo el agua.

Los griegos usaban toba volcánica de la isla de Thera como puzolana y los romanos usaban ceniza volcánica triturada ( silicatos de aluminio activados ) con cal. Esta mezcla podía fraguar bajo el agua, aumentando su resistencia a la corrosión como el óxido. ^{[ 17 ]} El material se llamaba puzolana por la ciudad de Pozzuoli , al oeste de Nápoles , donde se extraía la ceniza volcánica. ^{[ 18 ]} En ausencia de ceniza puzolánica, los romanos usaban ladrillo o cerámica en polvo como sustituto y es posible que usaran tejas trituradas para este propósito antes de descubrir fuentes naturales cerca de Roma. ^{[ 11 ]} La enorme cúpula del Panteón en Roma y las enormes Termas de Caracalla son ejemplos de estructuras antiguas hechas de estos hormigones, muchas de las cuales aún se conservan. ^{[ 19 ] [ 2 ]} El vasto sistema de acueductos romanos también hizo un uso extensivo del cemento hidráulico. ^{[ 20 ]} El hormigón romano rara vez se usaba en el exterior de los edificios. La técnica habitual consistía en utilizar material de revestimiento de ladrillo como encofrado para un relleno de mortero mezclado con un agregado de trozos rotos de piedra, ladrillo, fragmentos de cerámica , trozos reciclados de hormigón u otros escombros de construcción. ^{[ 21 ]}

El hormigón ligero fue diseñado y utilizado para la construcción de elementos estructurales por los constructores precolombinos que habitaban una civilización muy avanzada en El Tajín , cerca de la Ciudad de México. Un estudio detallado de la composición del agregado y el aglutinante muestra que el agregado era piedra pómez y el aglutinante un cemento puzolánico elaborado con ceniza volcánica y cal. ^{[ 22 ]}

Se desconoce si este conocimiento se conserva en la literatura de la Edad Media , pero los albañiles medievales y algunos ingenieros militares utilizaron activamente cemento hidráulico en estructuras como canales , fortalezas, puertos e instalaciones de construcción naval . ^{[ 23 ] [ 24 ]} Una mezcla de mortero de cal y agregado con ladrillo o piedra de revestimiento se utilizó en el Imperio Romano de Oriente, así como en Occidente hasta el período gótico . La región alemana de Renania continuó utilizando mortero hidráulico durante toda la Edad Media, gracias a los depósitos locales de puzolana llamados trass . ^{[ 21 ]}

El tabby es un material de construcción hecho de cal de concha de ostra, arena y conchas de ostra enteras para formar un hormigón. Los españoles lo introdujeron en América y Filipinas en el siglo XVI. ^{[ 25 ]}

El conocimiento técnico para la fabricación de cemento hidráulico fue formalizado por ingenieros franceses y británicos en el siglo XVIII. ^{[ 23 ]}

John Smeaton hizo una importante contribución al desarrollo de los cementos mientras planificaba la construcción del tercer faro de Eddystone (1755-1759) en el Canal de la Mancha, ahora conocido como la Torre de Smeaton . Necesitaba un mortero hidráulico que fraguara y desarrollara cierta resistencia en el período de doce horas entre mareas altas sucesivas . Realizó experimentos con combinaciones de diferentes calizas y aditivos, incluyendo trass y puzolanas ^{[ 11 ]} , y llevó a cabo una exhaustiva investigación de mercado sobre las cales hidráulicas disponibles, visitando sus plantas de producción, y observó que la "hidraulicidad" de la cal estaba directamente relacionada con el contenido de arcilla de la piedra caliza utilizada para fabricarla. Smeaton era ingeniero civil de profesión y no desarrolló más la idea.

En la costa atlántica sur de los Estados Unidos, el tapial, que se basaba en los montículos de conchas de ostras de las poblaciones nativas americanas anteriores, se utilizó en la construcción de viviendas desde la década de 1730 hasta la de 1860. ^{[ 25 ]}

En Gran Bretaña, en particular, la piedra de construcción de buena calidad se encareció cada vez más durante un período de rápido crecimiento, y se convirtió en práctica común construir edificios de prestigio con los nuevos ladrillos industriales y revestirlos con estuco para imitar la piedra. Se preferían las cales hidráulicas para esto, pero la necesidad de un fraguado rápido impulsó el desarrollo de nuevos cementos. El más famoso fue el " cemento romano " de Parker. ^{[ 26 ]} Este fue desarrollado por James Parker en la década de 1780 y finalmente patentado en 1796. En realidad, no se parecía en nada al material utilizado por los romanos, sino que era un "cemento natural" hecho mediante la combustión de septaria , nódulos que se encuentran en ciertos depósitos de arcilla y que contienen minerales de arcilla y carbonato de calcio . Los nódulos quemados se molían hasta obtener un polvo fino. Este producto, convertido en mortero con arena, fraguaba en 5-15 minutos. El éxito del "cemento romano" llevó a otros fabricantes a desarrollar productos rivales mediante la combustión de cementos artificiales de cal hidráulica de arcilla y tiza . El cemento romano se popularizó rápidamente, pero fue reemplazado en gran medida por el cemento Portland en la década de 1850. ^{[ 11 ]}

Aparentemente sin conocer el trabajo de Smeaton , el francés Louis Vicat identificó el mismo principio en la primera década del siglo XIX. Vicat ideó un método para combinar tiza y arcilla en una mezcla íntima y, al quemarla, produjo un "cemento artificial" en 1817 ^{[ 27 ]} , considerado el "principal precursor" ^{[ 11 ]} del cemento Portland y "...Edgar Dobbs de Southwark patentó un cemento de este tipo en 1811". ^{[ 11 ]}

En Rusia, Egor Cheliev creó un nuevo aglutinante mezclando cal y arcilla. Sus resultados se publicaron en 1822 en su libro Tratado sobre el arte de preparar un buen mortero, publicado en San Petersburgo . Unos años más tarde, en 1825, publicó otro libro que describía diversos métodos para la elaboración de cemento y hormigón, así como las ventajas del cemento en la construcción de edificios y terraplenes. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

El cemento Portland , el tipo de cemento más común en uso general en todo el mundo como ingrediente básico del hormigón, mortero , estuco y lechada no especial , se desarrolló en Inglaterra a mediados del siglo XIX y generalmente proviene de la piedra caliza . James Frost produjo lo que llamó "cemento británico" de manera similar por la misma época, pero no obtuvo una patente hasta 1822. ^{[ 31 ]} En 1824, Joseph Aspdin patentó un material similar, al que llamó cemento Portland , porque el revestimiento hecho con él tenía un color similar a la prestigiosa piedra Portland extraída en la Isla de Portland , Dorset, Inglaterra. Sin embargo, el cemento de Aspdin no se parecía en nada al cemento Portland moderno, sino que fue un primer paso en su desarrollo, llamado cemento proto-Portland . ^{[ 11 ]} El hijo de Joseph Aspdin, William Aspdin, había dejado la empresa de su padre y, en su fábrica de cemento, aparentemente produjo accidentalmente silicatos de calcio en la década de 1840, un paso intermedio en el desarrollo del cemento Portland. La innovación de William Aspdin fue contraintuitiva para los fabricantes de "cementos artificiales", porque requerían más cal en la mezcla (un problema para su padre), una temperatura mucho más alta en el horno (y, por lo tanto, más combustible), y el clínker resultante era muy duro y desgastaba rápidamente las piedras de molino , que eran la única tecnología de molienda disponible en ese momento. Por lo tanto, los costos de fabricación eran considerablemente más altos, pero el producto fraguaba razonablemente lento y desarrollaba resistencia rápidamente, abriendo así un mercado para su uso en el hormigón. El uso del hormigón en la construcción creció rápidamente a partir de 1850 y pronto se convirtió en el uso dominante de los cementos. Así, el cemento Portland comenzó su papel predominante. Isaac Charles Johnson perfeccionó aún más la producción de cemento meso-Portland (etapa intermedia de desarrollo) y afirmó ser el verdadero padre del cemento Portland. ^{[ 32 ]}

El tiempo de fraguado y la resistencia inicial son características importantes de los cementos. Las cales hidráulicas, los cementos naturales y los cementos artificiales dependen de su contenido de belita (2 CaO · SiO₂ _, abreviado como C₂S _{) para el desarrollo} de su resistencia . La belita desarrolla resistencia lentamente. Debido a que se calcinaban a temperaturas inferiores a 1250 °C (2280 °F) , no contenían alita (3 CaO · SiO₂ _, abreviado como C₃S ₎ , que es la responsable de la resistencia inicial en los cementos modernos. El primer cemento que contenía alita de forma consistente fue fabricado por William Aspdin a principios de la década de 1840: este es lo que hoy llamamos cemento Portland moderno. Debido al halo de misterio con el que William Aspdin rodeó su producto, otros ( por ejemplo, Vicat y Johnson) han reclamado la primacía en esta invención, pero análisis recientes ^{[ 33 ]} tanto de su hormigón como de su cemento crudo han demostrado que el producto de William Aspdin fabricado en Northfleet Cement Works , Kent, era un verdadero cemento a base de alita. Sin embargo, los métodos de Aspdin eran "a ojo": Vicat es responsable de establecer la base química de estos cementos, y Johnson estableció la importancia de sinterizar la mezcla en el horno .  

En EE. UU., el primer uso a gran escala del cemento fue el cemento Rosendale , un cemento natural extraído de un depósito masivo de dolomita descubierto a principios del siglo XIX cerca de Rosendale, Nueva York . El cemento Rosendale fue extremadamente popular para los cimientos de edificios ( p. ej. , Estatua de la Libertad , Capitolio , Puente de Brooklyn ) y el revestimiento de tuberías de agua. ^{[ 34 ]} El cemento Sorel , o cemento a base de magnesia, fue patentado en 1867 por el francés Stanislas Sorel . ^{[ 35 ]} Era más resistente que el cemento Portland, pero su escasa resistencia al agua (lixiviación) y sus propiedades corrosivas ( corrosión por picaduras debido a la presencia de aniones cloruro lixiviables y al bajo pH (8,5–9,5) de su agua intersticial) limitaron su uso como hormigón armado para la construcción de edificios. ^{[ 36 ]}

El siguiente avance en la fabricación de cemento Portland fue la introducción del horno rotatorio . Este producía una mezcla de clínker más resistente, debido a la mayor cantidad de alita (C₃S ₎ que se forma a la temperatura más alta que alcanza (1450  °C), y más homogénea. Dado que la materia prima se alimenta constantemente al horno rotatorio, permitió un proceso de fabricación continuo que reemplazó los procesos de producción por lotes de menor capacidad . ^{[ 11 ]}

Los cementos de aluminato de calcio fueron patentados en 1908 en Francia por Jules Bied para una mejor resistencia a los sulfatos. ^{[ 37 ]} También en 1908, Thomas Edison experimentó con hormigón prefabricado en casas en Union, NJ ^{[ 38 ]}

En Estados Unidos, tras la Primera Guerra Mundial, el largo tiempo de fraguado del cemento Rosendale (de al menos un mes) lo hizo impopular para la construcción de carreteras y puentes, y muchos estados y empresas constructoras optaron por el cemento Portland. Debido a este cambio, a finales de la década de 1920 solo una de las 15 empresas de cemento Rosendale había sobrevivido. Sin embargo, a principios de la década de 1930, los constructores descubrieron que, si bien el cemento Portland fraguaba más rápido, no era tan duradero, especialmente para carreteras, hasta el punto de que algunos estados dejaron de construir carreteras con cemento. Bertrain H. Wait, un ingeniero cuya empresa había participado en la construcción del acueducto de Catskill en la ciudad de Nueva York , quedó impresionado por la durabilidad del cemento Rosendale y creó una mezcla de ambos cementos que combinaba las mejores características de cada uno. Era muy duradera y tenía un tiempo de fraguado mucho más rápido. Wait convenció al Comisionado de Carreteras de Nueva York para que construyera un tramo experimental de carretera cerca de New Paltz, Nueva York , utilizando un saco de cemento Rosendale por cada seis sacos de cemento Portland. Fue un éxito, y durante décadas la mezcla de cemento Rosendale-Portland se utilizó en la construcción de carreteras y puentes de hormigón. ^{[ 34 ]}

Los materiales cementicios se han utilizado como matriz para la inmovilización de residuos nucleares durante más de medio siglo. ^{[ 39 ]} Se han desarrollado e implementado tecnologías de cementación de residuos a escala industrial en muchos países. Las formas cementicias para residuos requieren un proceso cuidadoso de selección y diseño adaptado a cada tipo específico de residuo para cumplir con los estrictos criterios de aceptación de residuos para el almacenamiento y la eliminación a largo plazo. ^{[ 40 ]}

El cemento Portland, un tipo de cemento hidráulico, es, con diferencia, el más común en el mundo. Su uso más frecuente es la fabricación de hormigón. El cemento Portland puede ser gris o blanco .

Las mezclas de cemento Portland suelen estar disponibles como mezclas molidas por los productores de cemento, pero también es frecuente que se preparen formulaciones similares a partir de los componentes molidos en la planta de mezcla de hormigón.

El cemento Portland de escoria de alto horno, o cemento de alto horno (nomenclatura ASTM C595 y EN 197-1 respectivamente), contiene hasta un 95 % de escoria granulada de alto horno molida , con el resto de clínker Portland y una pequeña cantidad de yeso. Todas las composiciones producen una alta resistencia final, pero a medida que aumenta el contenido de escoria, la resistencia inicial disminuye, mientras que la resistencia a los sulfatos aumenta y la generación de calor disminuye. Se utiliza como una alternativa económica a los cementos Portland resistentes a los sulfatos y de bajo calor de hidratación.

El cemento Portland con cenizas volantes contiene hasta un 40 % de cenizas volantes según las normas ASTM (ASTM C595) o un 35 % según las normas EN (EN 197-1). Las cenizas volantes son puzolánicas , por lo que se mantiene la resistencia final. Dado que la adición de cenizas volantes permite un menor contenido de agua en el hormigón, también se puede mantener la resistencia inicial. Cuando se dispone de cenizas volantes de buena calidad y a bajo costo, esta puede ser una alternativa económica al cemento Portland ordinario. ^{[ 44 ]}

El cemento Portland puzolánico incluye cemento de cenizas volantes, ya que estas son puzolanas , pero también cementos elaborados con otras puzolanas naturales o artificiales. En países donde se dispone de cenizas volcánicas (por ejemplo, Italia, Chile, México y Filipinas), estos cementos suelen ser los más utilizados. Las proporciones máximas de sustitución se definen generalmente como para el cemento Portland con cenizas volantes.

Cemento Portland con humo de sílice. La adición de humo de sílice puede producir resistencias excepcionalmente altas, y ocasionalmente se fabrican cementos que contienen entre un 5 % y un 20 % de humo de sílice, siendo el 10 % la adición máxima permitida según la norma EN 197-1. Sin embargo, lo más habitual es añadir el humo de sílice al cemento Portland en la hormigonera. ^{[ 45 ]}

Los cementos para mampostería se utilizan para preparar morteros y estucos para ladrillos , y no deben usarse en concreto. Suelen ser formulaciones complejas y patentadas que contienen clínker de Portland y otros ingredientes, como caliza, cal hidratada, incorporadores de aire, retardadores, impermeabilizantes y colorantes. Están formulados para producir morteros manejables que permiten una mampostería rápida y uniforme. En Norteamérica, existen variantes de cemento para mampostería, como los cementos plásticos y los cementos para estuco. Estos están diseñados para lograr una unión controlada con los bloques de mampostería.

Los cementos expansivos contienen, además de clínker de Portland, clínkeres expansivos (generalmente de sulfoaluminato) y están diseñados para contrarrestar los efectos de la retracción por secado que normalmente se produce en los cementos hidráulicos. Este cemento permite elaborar hormigón para losas de piso (de hasta 60  m²) sin juntas de contracción.

Los cementos blancos mezclados pueden elaborarse con clínker blanco (que contiene poco o ningún hierro) y materiales suplementarios blancos, como metacaolín de alta pureza . Los cementos coloreados tienen fines decorativos. Algunas normas permiten la adición de pigmentos para producir cemento Portland coloreado. Otras normas (por ejemplo, ASTM) no permiten pigmentos en el cemento Portland, y los cementos coloreados se comercializan como cementos hidráulicos mezclados.

Los cementos de molienda muy fina son cemento mezclado con arena, escoria u otros minerales puzolánicos que se muelen hasta obtener una finura extrema. Estos cementos pueden tener las mismas características físicas que el cemento normal, pero con un 50 % menos de cemento, principalmente debido a la mayor superficie disponible para la reacción química. Incluso con una molienda intensiva, su fabricación puede requerir hasta un 50 % menos de energía (y, por lo tanto, menores emisiones de carbono) que la de los cementos Portland ordinarios. ^{[ 46 ]}

Los cementos de puzolana y cal son mezclas de puzolana molida y cal . Son los cementos que usaban los romanos y están presentes en estructuras romanas que aún se conservan, como el Panteón de Roma. Desarrollan resistencia lentamente, pero su resistencia final puede ser muy alta. Los productos de hidratación que generan resistencia son esencialmente los mismos que los del cemento Portland.

Los cementos de cal y escoria —escoria granulada de alto horno molida— no son hidráulicos por sí mismos, sino que se activan mediante la adición de álcalis, siendo la cal la más económica. Sus propiedades son similares a las de los cementos de cal puzolánica. Solo la escoria granulada (es decir, la escoria vítrea enfriada con agua) es eficaz como componente del cemento.

Los cementos supersulfatados contienen aproximadamente un 80 % de escoria granulada de alto horno molida, un 15 % de yeso o anhidrita y una pequeña cantidad de clínker de Portland o cal como activador. Su resistencia se debe a la formación de etringita , con un crecimiento de la resistencia similar al de un cemento Portland de fraguado lento. Presentan buena resistencia a agentes agresivos, incluidos los sulfatos.

Los cementos de aluminato de calcio _son cementos hidráulicos elaborados principalmente a partir de caliza y bauxita . Sus componentes activos son el aluminato monocálcico CaAl₂O₄ _{( CaO} · _{Al₂O₃ o} CA en la notación química de cemento , CCN) y _la mayenita Ca₁₂Al₁₄O₃₃ (¹₂CaO · ₇Al₂O₃ _o C₁₂A₇ _en CCN ) . Su resistencia se desarrolla mediante la hidratación de los hidratos de aluminato de calcio. Son idóneos para su uso en hormigones _{refractarios (resistentes a} altas temperaturas), por ejemplo, para revestimientos de hornos _.

_Los cementos de sulfoaluminato de calcio se fabrican a partir de clinkers que incluyen ye'elimita (Ca₄ ₍ AlO₂ ₎ ₆SO₄ _o C₄A₃S en la _notación química del cemento ) como fase primaria. Se utilizan en cementos expansivos, en cementos de ultra alta resistencia inicial y en cementos _de "baja energía". La hidratación produce etringita, y las propiedades físicas especializadas (como la expansión o la reacción rápida) se obtienen ajustando la disponibilidad de iones de calcio y sulfato. Su uso como alternativa de baja energía al cemento Portland se ha impulsado en China, donde se producen varios millones de toneladas al año. ^{[ 47 ] [ 48 ]} Los requisitos energéticos son menores debido a las temperaturas más bajas del horno necesarias para la reacción y a la menor cantidad de caliza (que debe descarbonatarse endotérmicamente) en la mezcla. Además, el menor contenido de caliza y el menor consumo de combustible conducen a una menor emisión de CO₂.₂ emisiones aproximadamente la mitad de las asociadas con el clínker de Portland. Sin embargo, las emisiones de SO₂suelen ser significativamente más altas.

Los cementos "naturales", que corresponden a ciertos cementos de la época anterior al Portland, se producen mediante la calcinación de calizas arcillosas a temperaturas moderadas. El nivel de componentes arcillosos en la caliza (alrededor del 30-35%) es tal que se forman grandes cantidades de belita (el mineral del cemento Portland que aporta baja resistencia inicial y alta resistencia a largo plazo) sin que se generen cantidades excesivas de cal libre. Como ocurre con cualquier material natural, estos cementos presentan propiedades muy variables.

Los cementos geopoliméricos se elaboran a partir de mezclas de silicatos de metales alcalinos solubles en agua y polvos minerales de aluminosilicato, como cenizas volantes y metacaolín .

Los cementos poliméricos se elaboran a partir de compuestos químicos orgánicos que se polimerizan. Los fabricantes suelen utilizar materiales termoendurecibles . Si bien suelen ser considerablemente más caros, permiten obtener un material impermeable con una resistencia a la tracción útil.

El cemento Sorel es un cemento duro y duradero elaborado mediante la combinación de óxido de magnesio y una solución de cloruro de magnesio.

Se propone fabricar cemento eléctrico reciclando cemento procedente de residuos de demolición en un horno de arco eléctrico como parte de un proceso de fabricación de acero . El cemento reciclado se utilizaría para sustituir parcial o totalmente la cal empleada en la fabricación de acero, obteniendo un material similar a la escoria, mineralógicamente parecido al cemento Portland, lo que eliminaría la mayor parte de las emisiones de carbono asociadas. ^{[ 49 ]}

China es el mayor productor y consumidor de cemento del mundo.

En 2006, se estimó que China fabricó 1.235 millones de toneladas de cemento, lo que representó el 44% de la producción mundial total de cemento. ^{[ 59 ]} "Se espera que la demanda de cemento en China aumente un 5,4% anual y supere los 1.000 millones de toneladas en 2008, impulsada por un crecimiento lento pero saludable en los gastos de construcción. El cemento consumido en China ascenderá al 44% de la demanda mundial, y China seguirá siendo el mayor consumidor nacional de cemento del mundo por un amplio margen." ^{[ 60 ]}

En 2010, se consumieron a nivel mundial 3.300 millones de toneladas de cemento. De esta cantidad, China representó 1.800 millones de toneladas. ^{[ 61 ]}

La concentración de carbono en el cemento varía desde aproximadamente el 5% en estructuras de cemento hasta aproximadamente el 8% en el caso de carreteras de cemento. ^{[ 62 ]} La fabricación de cemento libera CO ₂ a la atmósfera tanto directamente cuando se calienta el carbonato de calcio , produciendo cal y dióxido de carbono , ^{[ 63 ] [ 64 ]} como indirectamente a través del uso de energía si su producción implica la emisión de CO_2. La industria del cemento produce alrededor del 10% delCO2artificial₂ emisiones, de las cuales el 60% proviene del proceso químico y el 40% de la quema de combustible. ^{[ 65 ]} Unde Chatham HouseCO2mundiales.₂ emisiones. ^{[ 5 ]}

Casi 900  kg de COSe emiten _{2 CO₂}  por cada 1000 kg de cemento Portland producido. En la Unión Europea, el consumo energético específico para la producción de clínker de cemento se ha reducido aproximadamente un 30 % desde la década de 1970. Esta reducción en los requerimientos de energía primaria equivale a aproximadamente 11 millones de toneladas de carbón por año, con los correspondientes beneficios en la reducción deCO₂.₂ emisiones. Esto representa aproximadamente el 5% delCO2_2. ^{[ 66 ]}​

La mayor parte de las emisiones de dióxido de carbono en la fabricación de cemento Portland (aproximadamente el 60%) se producen por la descomposición química de la piedra caliza en cal, un componente del clínker de cemento Portland. Estas emisiones pueden reducirse disminuyendo el contenido de clínker en el cemento. También pueden reducirse mediante métodos de fabricación alternativos, como la molienda conjunta del cemento con arena, escoria u otros minerales puzolánicos hasta obtener un polvo muy fino. ^{[ 67 ]}

Para reducir el transporte de materias primas más pesadas y minimizar los costos asociados, es más económico construir plantas de cemento más cerca de las canteras de piedra caliza que de los centros de consumo. ^{[ 68 ]}

A partir de 2025La captura y el almacenamiento de carbono se perfilan como una forma de descarbonizar la producción de cemento. La empresa francesa Air Liquide recibió financiación de la UE para dos proyectos de CCS en Kujawy (Polonia) y para el Programa K6, cuyo objetivo es producir el primer cemento neutro en carbono de Europa en Lumbres (Francia). Se prevé que los proyectos entren en funcionamiento en 2028 y capturen 18,1 MtCO2 de emisiones durante una década. ^{[ 69 ]}

Los productos hidratados del cemento Portland, como el hormigón y los morteros, reabsorben lentamente el CO₂ atmosférico _liberado durante la calcinación en un horno. Este proceso natural, inverso a la calcinación, se denomina carbonatación. ^{[ 70 ]} Dado que depende de la difusión de CO₂ _en la masa del hormigón, su velocidad depende de muchos parámetros, como las condiciones ambientales y la superficie expuesta a la atmósfera. ^{[ 71 ] [ 72 ]} La carbonatación es particularmente significativa en las últimas etapas de la vida útil del hormigón, después de la demolición y trituración de los escombros. Se estima que casi el 30 % del CO₂ atmosférico₂ generado por la producción de cemento se reabsorbe durante el ciclo de vida de los productos de cemento. ^{[ 72 ]}

El proceso de carbonatación se considera un mecanismo de degradación del hormigón. Reduce el pH del hormigón, lo que favorece la corrosión del acero de refuerzo. ^{[ 70 ]} Sin embargo, a medida que el producto de la carbonatación del Ca(OH) _₂ , el CaCO₃ _, ocupa un mayor volumen, la porosidad del hormigón disminuye. Esto aumenta la resistencia y la dureza del hormigón. ^{[ 73 ]}

Existen propuestas para reducir la huella de carbono del cemento hidráulico mediante la adopción de cemento no hidráulico, como el mortero de cal , para ciertas aplicaciones. Este reabsorbe parte del CO₂.₂ durante el endurecimiento, y tiene un menor requerimiento energético en la producción que el cemento Portland. ^{[ 74 ]}

Otros intentos de aumentar la absorción de dióxido de carbono incluyen cementos a base de magnesio ( cemento Sorel ). ^{[ 75 ] [ 76 ] [ 77 ]}

En ciertas circunstancias, principalmente dependiendo del origen y la composición de las materias primas utilizadas, el proceso de calcinación a alta temperatura de la piedra caliza y los minerales arcillosos puede liberar a la atmósfera gases y polvo ricos en metales pesados ​​volátiles , por ejemplo , talio , ^{[ 78 ]} siendo el cadmio y el mercurio los más tóxicos. Los metales pesados ​​(Tl, Cd, Hg, ...) y también el selenio se encuentran a menudo como oligoelementos en sulfuros metálicos comunes ( pirita (FeS₂ ₎ , blenda de zinc (ZnS) , galena (PbS), ...) presentes como minerales secundarios en la mayoría de las materias primas. En muchos países existen regulaciones ambientales para limitar estas emisiones. Desde 2011, en Estados Unidos, los hornos de cemento están "legalmente autorizados a emitir más toxinas al aire que los incineradores de residuos peligrosos". ^{[ 79 ]}

La presencia de metales pesados ​​en el clínker se debe tanto a las materias primas naturales como al uso de subproductos reciclados o combustibles alternativos . El alto pH que prevalece en el agua de los poros del cemento (12,5 < pH < 13,5) limita la movilidad de muchos metales pesados ​​al disminuir su solubilidad y aumentar su adsorción en las fases minerales del cemento. El níquel , el zinc y el plomo se encuentran comúnmente en el cemento en concentraciones no despreciables. El cromo también puede provenir directamente como impureza natural de las materias primas o como contaminación secundaria por la abrasión de las aleaciones de acero al cromo duro utilizadas en los molinos de bolas cuando se muele el clínker. Como el cromato (CrO₄²⁻ _{) es} ^tóxico y puede causar alergias cutáneas graves en concentraciones traza, a veces se reduce a Cr(III) trivalente mediante la adición de sulfato ferroso (FeSO₄ ₎ .

Una planta de cemento consume de 3 a 6 GJ de combustible por tonelada de clínker producida, dependiendo de las materias primas y el proceso utilizado. La mayoría de los hornos de cemento actuales utilizan carbón y coque de petróleo como combustibles principales, y en menor medida gas natural y fueloil. Ciertos residuos y subproductos con valor calorífico recuperable pueden utilizarse como combustibles en un horno de cemento (lo que se conoce como coprocesamiento ), sustituyendo una parte de los combustibles fósiles convencionales , como el carbón, si cumplen con especificaciones estrictas. Ciertos residuos y subproductos que contienen minerales útiles como calcio, sílice, alúmina y hierro pueden utilizarse como materias primas en el horno, sustituyendo materias primas como arcilla, esquisto y piedra caliza. Dado que algunos materiales tienen tanto contenido mineral útil como valor calorífico recuperable, la distinción entre combustibles alternativos y materias primas no siempre es clara. Por ejemplo, los lodos de depuradora tienen un valor calorífico bajo pero significativo, y al quemarse producen cenizas que contienen minerales útiles en la matriz del clínker. ^{[ 80 ]} Los neumáticos de desecho de automóviles y camiones son útiles en la fabricación de cemento, ya que tienen un alto poder calorífico y el hierro incrustado en los neumáticos es útil como materia prima. ^{[ 81 ] : pág. 27}

El clínker se fabrica calentando las materias primas dentro del quemador principal de un horno a una temperatura de 1450  °C. La llama alcanza los 1800  °C. El material permanece a 1200  °C durante 12-15 segundos a 1800  °C o, en ocasiones, durante 5-8 segundos (tiempo de residencia). Estas características del horno de clínker ofrecen numerosas ventajas y garantizan la destrucción completa de los compuestos orgánicos, la neutralización total de los gases ácidos, los óxidos de azufre y el cloruro de hidrógeno. Además, los restos de metales pesados ​​quedan incorporados en la estructura del clínker y no se generan subproductos como cenizas o residuos. ^{[ 82 ]}

La industria cementera de la UE ya utiliza más del 40 % de combustibles derivados de residuos y biomasa para suministrar la energía térmica al proceso de fabricación de clínker gris. Si bien la elección de estos denominados combustibles alternativos (CA) suele estar motivada por el coste, otros factores están adquiriendo mayor importancia. El uso de combustibles alternativos ofrece beneficios tanto para la sociedad como para la empresa: CO_{2 -} Las emisiones son menores que con los combustibles fósiles, los residuos pueden ser coprocesados ​​de manera eficiente y sostenible, y la demanda de ciertas materias primas vírgenes puede reducirse. Sin embargo, existen grandes diferencias en la proporción de combustibles alternativos utilizados entre los estados miembros de la Unión Europea (UE). Los beneficios sociales podrían mejorarse si más estados miembros aumentaran su proporción de combustibles alternativos. El estudio Ecofys ^{[ 83 ]} evaluó las barreras y oportunidades para una mayor adopción de combustibles alternativos en 14 estados miembros de la UE. El estudio Ecofys concluyó que los factores locales limitan el potencial del mercado en mayor medida que la viabilidad técnica y económica de la propia industria cementera.