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Desarrollo, fabricación y aplicaciones de los cementos adicionados
Prof. Dr. José Fernando Martirena-Hernández
Director CIDEM
Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas. Cuba
Taller internacional de cementos adicionados
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Fernando Martirena (Prof. Dr.-Sc.)
» Cubano (reside en Cuba)
» 1983: Ingeniero Civil, Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas
» 1988: PhD en la CUJAE, La Habana. Diseño y construcción de estructuras laminares
» 2000: becario de la Fundación “Alexander von Humboldt” Alemania.
» 2004: Dr. Cs. en la CUJAE, La Habana. Uso de puzolanas en cemento y hormigón
» 2008: Director CIDEM, UCLV
» 2018: Presidente del Comité Técnico RILEM “Arcillas calcinadas”
Facultad de ConstruccionesUniversidad Central de las VillasCarretera de Camajuani km 5, Santa Clara 50100, Villa Clara. CUBAtel: +53 5 263 7716e-mail: [email protected]
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Guion de la presentación
» Alternativas para la sostenibilidad de la producción de cemento
» Las arcillas como Materiales Cementicios Suplementarios
» La producción del cemento LC3
» Utilización del cemento LC3
» Impactos de la utilización del cemento LC3
» Proyectos en camino
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Guion de la presentación
» Alternativas para la sostenibilidad de la producción de cemento
» Las arcillas como Materiales Cementicios Suplementarios
» La producción del cemento LC3
» Utilización del cemento LC3
» Impactos de la utilización del cemento LC3
» Proyectos en camino
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↓ CO2
Natural pozzolan
Process optimation ↓ clinker factor
Clinker Gypsum Cement
Fly ash
SCMs – Supplementary Cementitious Materials
SlagLimestone
Reducir contenido de clinker
Slide Prof. Karen Scrivener
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Tendencia global en la sustitución de clinker
2%4%
5% 5% 6% 6% 6% 6% 6% 7% 7% 7%4%
4%
4% 4% 5% 5% 5% 5% 5% 5% 5% 5%
1%
2%
3%3%
3%4% 4% 4% 4% 4% 4% 4%
1%
2%
2%2%
2%2%
2% 2% 2%2% 2% 2%
4%
2%
1%1%
1%1%
1% 1% 1%1% 1% 1%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
1990 2000 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
Limestone
Slag
Fly ash
Puzzolana
Others
• Almost no progress in last 5 years• Only 3 substitutes used in quantity
U.N. Environment, K.L. Scrivener, V.M. John, E.M. Gartner, Cement and Concrete Research Eco-effi cient cements : Potential economically viable solutions for a low-CO 2 cement-based materials industry, (2018).
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Las reservas de escorias disminuyen
0
5
10
15
20
0
500
1000
1500
2000
1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020
BF
Slag
\C
em
en
t (%
)
Pro
du
ctio
n (
Mt)
BFS Iron BF Slag BF Slag/Cement
Slide Prof. Vanderley John
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La generación a base de carbon decrece
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100
Co
al (M
t)
S. & C. America, Africa,Asia, Middle EastEurope & Eurasia
Major Exporters
South Africa
Australia
India
China
Russia
Slide Prof. Vanderley John
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0 2000 4000 6000
Calcined Clay
Filler
Portland cement
Fly ash
Slag
Natural Pozzolan
Vegetable ashes
waste glass
silica fume
Mt/yr
Used Available
limestone
Disponibilidad de MCS
Classic SCMs – fly ash and slag are only
around 15% of current cement production,
will drop to < 10% in near future
Slide Karen Scrivener
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¡¡Las arcillas y las calizas son los MCS más abundantes!!
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Arcillas de muy buena calidad como desechos en minas
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Calizas dolomíticas como “desecho”
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-200
0
200
400
600
800
1000
0 10 20 30 40 50 60 70
CO
2M
itig
atio
nP
ote
nti
al(M
t)
Market Share 2050 (%)
Alkali activated + Calcined clay
BYF
CCSC
Arcilla calcinaday Caliza
Fillers 30%
Impacto de varias tecnologías en la mitigación de CO2
Slide Prof. Vanderley JohnU.N. Environment, K.L. Scrivener, V.M. John, E.M. Gartner, Cement and Concrete Research Eco-effi cient cements (2018).
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Pronóstico de uso en los próximos años…
CSI Technology Roadmap Low-Carbon Technology for the Global Cement Industry, April 2018
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Guion de la presentación
» Alternativas para la sostenibilidad de la producción de cemento
» Las arcillas como Materiales Cementicios Suplementarios
» La producción del cemento LC3
» Utilización del cemento LC3
» Impactos de la utilización del cemento LC3
» Proyectos en camino
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2005-2008SDC-SNSF Project
Calcined clays forpozzolans
2009-2012SDC-SNSF Project
Ternary blend cementcalcined clay-limestone
2013-2020SDC-Climate Change
Low Carbon Cement
La búsqueda de alternativas sostenibles para sustituir clinker a través de materiales cementicios suplementarios
Cooperación con la Prof. Karen Scrivener
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Na+, Ca++, H2O
¿Qué arcillas?silicon
aluminium
Kaolinite (1:1) Illite (2:1) (Micas) Montmorillonite (2:1)(Smectites)
La composición mineralógica de las arcillas
depende de la relación Si/Al
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Metakaolin
Al2Si2O5(OH)4
El Metakaolin es la arcilla activada de mayor reactividad
Se forma con la deshidroxilación de la caolinita
La difúsión de los hidroxilos controla el proceso
La deshidroxilación ocurre entre 500-650 oC
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Evaluación de las arcillas adecuadas
Threshold for good reactivity:
60% Quartz
40% Kaolinite
• % Al2O3 = 15,8
• % Al2O3 / % SiO2 = 0,2
• % OH- = 5,6
• % Al2O3 > 18
• % Al2O3 / % SiO2 > 0,3
• % LOI > 7,0
• % CaO < 3,0 (Low contents of calcite/gypsum)
• % SO3 < 2,0 (Low contents of pyrite/alunite/gypsum)
• % Fe2O3 < 10,0 (?) (If red color is undesirable, also depending on calcination technology )
Suitable clays
must comply with
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I %K>60 (very reactive)
II 60>%K>40 (good reactivity)
III %K<40 / 2:1 clays (poorly reactive)
IV Presence of CaO/SO3 rich minerals
Relación entre composición química y contenido de arcilla
Alumina content is crucial in
terms of reactivity
Accompanying minerals such
as calcite or pyrite can lead to
LOI (not corresponding to OH-
lost)
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Disponibilidad de arcillas adecuadas
Slide Prof. Karen Scrivener
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Composición química y mineralógica
Las arcillas usadas en la
producción de Clinker tienen bajo
Al y alto Si (contrario a lo que se
necesita en LC3)
Valores altos de álcalis indican
procesos de intemperismo no
completados (bajo contenido de K)
Presencia de Fe solo tiene
implicaciones en color
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El contenido de caolinita
» La Resistencia crece linealmente con el contenido de caolinita
» Alcanzan a partir de 7 días resistencias similares al Portland (con un 40% de caolinita)
» Otros parámetros tienen menos importancia
23Slide Prof. Karen Scrivener
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Ventana de calcinación
• ~ 5 %
• ~ 5 %
• ~ 14 %
• La Ventana teórica está
entre 500-600 ºC
• Pero normalmente
ocurre a temperaturas
más altas
• El rango óptimo es
700-800oC
temperatures
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Slide Prof. Karen Scrivener
El cemento de bajo carbono LC3
Similar resistencia al cemento Portland 50% de Clinker35%+ reducción de emisiones CO2Alta resistencia a cloruros y expansiónCostos de producción ligeramente menores
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𝐶3𝑆+5.3𝐻→𝐶1.7𝑆𝐻4+1.3𝐶𝐻
𝐶2𝑆+4.3𝐻→𝐶1.7𝑆𝐻4+0.3𝐶𝐻
𝐶3𝐴+3𝐶$𝐻2+26𝐻→𝐶6𝐴$3𝐻32 (𝐴𝐹𝑡)
𝐶3𝐴∙3𝐶$∙𝐻32+2𝐶3𝐴+4𝐻→3∙𝐶4𝐴$𝐻12
Silicates hydration
Gypsum to modify aluminates reaction
Conversion of Aft into monosulphate
Addition of CC to OPC stabilizes C4ACH11 (monocarboaluminate) and C6A$3H32
(ettringite), whilst C4A$H12 (monosulphate) is destabilised
In presence of CaCO3
C3A + CC + 11H⇔ C4ACH11
3C4A$H12 + 2CC + 18H⇔ C6A$3H32 + 2C4ACH11
1001 ⇔ 1231 cm3 / mol
Slide Prof. Karen Scrivener
Reacción de hidratación
Metakaolin “MK”
(Al2O3) : 2∙(SiO2) 222 g/mol
Limestone “LS”
CaCO3 100 g/mol
Formation of monocarbo aluminate “Mc” (AFm)
3CaO · Al2O3 · CaCO3 · 11H2O or C4ACH11
Assuming the reaction in excess of Ca2+ and OH-
Al2O3 + CaCO3 + Ca2+ + OH- C4ACH11
MK:LS weight ratio of 2:1
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Mecanismo de acción
Clinker
Arcilla calcinada
Caliza
Alumino Carbonate Reaction
Microestructura más densa
Resistencia Durabilidad
The synergy between calcined clay and limestone enables higher clinker substitution rates
Kaolinitic clays having kaolinite content above 40% are suitable for their use in these ternary systems
Based on a slide from S. Bishnoi
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Sinergia entre arcilla calcinada y caliza
Resultados de X-Ray Diffraction:
» OPC contains» low ettringite (AFt),
» low monosulfoaluminate (Ms)
» High Portlandite (CH)
» In LC3-50:» Formation of carboaluminates (Hc/Mc)
» Ettringite (AFt) enhanced
» Portlandite is consumed
La combinación de arcillas calcinadas con calizas favorece la formación de carboaluminatos y la consecuente estabilización de la ettringita en el sistema.
OPC
205 10 15 25Position [ 2Q ]
CHMs
Strät .Strät . C4AF AFtAFtAFt AFtHcMc
MsHc
1d
28d
LC3-50
205 10 15 25
Position [ ]
CHMs
Strät.Strät. C4AF AFtAFtAFt AFtHcMc
MsHc
2Q
1d
28d
Slide Prof. Karen Scrivener
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Ensamblaje de fases
Las fases formadas en la hidratación son similares a las formadas en sistemas de cementos Portland puzolánicos (no se esperan sorpresas en durabilidad a mediano-largo plazo)
Slide Prof. Karen Scrivener
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Refinamiento de la estructura de poros
Se produce un refinamiento significativo de la porosidad a partir de los 3 días de hidratación.
» La porosidad ya bien definida a los 3 días para arcillas de alta pureza
» La diferencia en la cinética depende de la pureza de la arcilla
LC3-50 (95%) 3d
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Guion de la presentación
» Alternativas para la sostenibilidad de la producción de cemento
» Las arcillas como Materiales Cementicios Suplementarios
» La producción del cemento LC3
» Utilización del cemento LC3
» Impactos de la utilización del cemento LC3
» Proyectos en camino
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5 3025201510 min1 35 40
burning
1000
1200
1400
200
400
600
800
oC
Mas
s p
rop
ort
ion
Drying
H2O
Clay
Calcinedclay
La calcinación
Temperatura de calcinación
850-900 oC
Tiempo de residencia en la
zona de calcinación de 20-25
min
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• 118 tonnes of original material with 18% moisturecontent were fed to the kiln
• 65 tons of calcined material were obtained
First batch: 3-5 tonnes (discarded)
2nd batch: 8-10 tonnes
5th batch: 17-20 tonnes
Primera prueba industrial, 2013, Cuba
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0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Temperature (°C)
Average Raw Pont
Calcined Clay 02
Calcined Clay 04
Calcined Clay 07
Calcined Clay 14
Calcined Clay 17
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Temperature (°C)
Average Raw Pont
Calcined Clay 02
Calcined Clay 04
Calcined Clay 07
Calcined Clay 14
Calcined Clay 17Material no calcinado
Calidad de la calcinación
0
Position [°2Theta] (Copper (Cu))
15 20 25
Calcined clay 2-750Calcined clay-900Calcined clay-850Calcined clay_750
Pico de caolinita
Difracción de rX TG-DTA
Slide Prof. Karen Scrivener
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Calidad de la calcinación
750ºC
650ºC
850ºC
El control de peso volumétrico a la salida del horno puede ser un ensayo rápido para poder controlar calidad de calcinación…
![Page 37: Desarrollo, fabricación y aplicaciones de los cementos ......Fernando Martirena (Prof. Dr.-Sc.) » Cubano (reside en Cuba) » 1983: Ingeniero Civil, Universidad Central Marta Abreu](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022070219/612f145b1ecc51586943373e/html5/thumbnails/37.jpg)
Color de la arcilla calcinada
En arcillas con alto contenido de Fe
Hematita se forma en condiciones
oxidantes a temperaturas superiores a
600 ºC. En condiciones reductoras se
forma la fase magnetita (de color negro)
En el enfriamiento hay que mantener
temperatura por debajo de 600ºC y
atmósfera reductora!!
Foto cortesía de FLSmidth
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El diesel combustiona y
consume todo el oxígeno
~800ºC
< 600ºC
Inyección combustibleInyección agua
Control del color
El agua enfría el material a la
salida
Quemador
El consumo de combustible en crear atmósfera reductora es menor del 3%...
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Impacto del color en aplicaciones
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Retos en la molienda
Ternary binders have components that are present in small quantities and grinding could eventually become a problem
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Molienda en la prueba industrial en Siguaney
PRIMARYGRINDER
SEONDARY GRINDER
SEPARATOR
PNEUMATICPUMP
Particle size distribution is
controlled by an air separator
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Impacto de la intermolienda en las propiedades del cemento
Clinker
Calcined clay
Quartz
Limestone
CoarserClinker (over 90 µm
Finerthe Rest
Separator gauge was set for around 10% of
cement retained at 90 µm sieve (coarser
than normal practice)
Most material retained at 90 µm (9%) sieve
was coarse clinker
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Bola de acero
Clinker
Arcilla calcinada
Caliza
Molienda de cementos multi-componente
Las partículas cargadas eléctricamente
se adhieren a las bolas y las paredes
del Molino y evitar la molienda del
clinker
Se produce una molienda en exceso
de materiales suaves
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Impacto de intensificadores de molienda
44
CC 1h no GA CC 1h PCE 1 0.45% CC 1h Amine 0.13% CC 1h Glycol 0.12%
Franco Zunino, 2018
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LC3 no GA + SPLC3 GA (TEA-A) 3g
+SPLC3 + GA(4,5gINT
(TEA-A)) + SPCemento tipo HE
1d 8,09 6,10 12,51 10,30
3d 18,30 16,10 19,96 23,30
7d 31,70 22,40 34,14 32,20
28d 45,30 38,30 41,12 40,50
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
50,00
Res
iste
nci
a a
com
pre
sió
n M
pa
Intermolienda
Fine Medium Coarse
no GA 29,42 55,09 51,27
3g TEA 30,36 54,37 48,49
4.5g TEA 32,68 55,22 41,4
0
10
20
30
40
50
60
% m
ass
Contenido de Clinker
Impacto de intensificadores de molienda
D ≤ 7 µm
7µm ≤ D ≤ 33 µm D ≥ 33 µm
NOTA: este ensayo es una modificación de la norma ASTM C109/109M que incluye añadir SP para lograr un flujo para una relación agua/cemento similar a la del cemento Portland
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Estrategia de molienda separada (LC2)
PRIMARYGRINDER
SEONDARY GRINDER
SEPARATOR
PNEUMATICPUMP
BELT 1: calcined clay
BELT 2: gypsum
BELT 3: limestoneLC2
CLK CCL LS GYP Total SO3LC2 2:1 0.00% 63.00% 30.00% 7.00% 100.00% 2.80%
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+ =
Formulación como adición mineral
60,00%35,00%
5,00%
LC2 2:1
Calcined clay Limestone Gypsum
90,00%
5,00%5,00%
P35
Clinker Limestone Gypsum
45,00%
30,00%
20,00%
5,00%
LC3-50 2:1
Clinker Limestone Calcined clay Gypsum
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Impacto de intensificadores de molienda
CPO + LC2 fine + SPLC2 + CPO+GA (3gINT
(TEA-A))+SPLC3 + GA(4,5gINT (TEA-A))
+ SPCemento tipo HE
1d 7,96 11,56 12,51 10,30
3d 19,27 21,67 19,96 23,30
7d 24,25 32,51 34,14 32,20
28d 35,24 43,49 41,12 40,50
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
50,00
Co
mp
ress
ive
str
en
gth
Mp
a
Molienda separada
Fine Medium Coarse
no GA 26,55 26,1 26,64
GA 26,61 23,48 22,95
21
22
23
24
25
26
27
% m
ass
Contenido caliza
Fine Medium Coarse
no GA 52,54 42,52 45,04
GA 53,77 46,98 47,84
0
10
20
30
40
50
60
% m
ass
Contenido amorfo (arcilla calcinada)
NOTA: este ensayo es una modificación de la norma ASTM C109/109M que incluye añadir SP para lograr un flujo para una relación agua/cemento similar a la del cemento Portland
![Page 49: Desarrollo, fabricación y aplicaciones de los cementos ......Fernando Martirena (Prof. Dr.-Sc.) » Cubano (reside en Cuba) » 1983: Ingeniero Civil, Universidad Central Marta Abreu](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022070219/612f145b1ecc51586943373e/html5/thumbnails/49.jpg)
Formulaciones del LC3/LC2 (relación arcilla calcinada: caliza)
Calcined clay/limestone= 2:1
Calcined clay/limestone= 1:1
Calcined clay/limestone= 2:1
Calcined clay/limestone= 1:1
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Morteros estandarizados (CP+LC2)
P-35 LC3 50(2:1) LC3 50(1:1) LC3 65(2:1) LC3 65(1:1)
1 d 7,29 12,5 7,84 12,3 7,68
3d 17,6 28,3 10,1 29,7 26,3
7d 28,7 36,3 24,5 39,3 30,1
28d 34,7 41,53 23,39 48,41 46,48
0
10
20
30
40
50
60C
om
pre
ssiv
e s
tre
ngt
h M
Pa
P35 + LC2Initial setting
time (min)Final setting time
(hrs)Normal
Consistency (%)LC3 50 (2:1) (50% LC2) 40 1.33 35LC3 65 (2:1) (35% LC2) 40 2 33
Contenido de arcilla calcinada decrece
Incrementa el contenido de clinquer
Ensayos realizados siguiendo la Norma Cubana NC 96:2011 (equivalente a la EN 197 (agua/cemento=0.5)
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K
S
L/LL
L/LL
V/P
K
90
80
70
60
50
S
40
30
20
10
Camino hacia normas que cubran el LC3
M. Schnaider 7th International
VDZ Congress 2013
(**) tests carried out by Lafarge (France)
LC3 50% clínquer
LC3 65% clínquer
ASTM C595
ASTM C595
Pozzolan content: ≤ 40%
Limestone content: ≤ 15%
Minimum clínquer content:
45%
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Normativas ASTM vs. EN y usos en hormigón
CEM UGcomercial
LC3-50 GA LC3-50+SPCemento ARNTG 41095
UG NTG 41095
a/c 0,53 0,70 0,53 0,53 0,53
1 DÍA 6,00 5,29 12,51 11,84
3 DÍAS 17,80 11,40 19,96 23,67 12,86
7 DÍAS 25,20 21,30 34,14 19,73
28 DÍAS 35,20 29,52 41,12 27,62
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
Res
iste
nci
a a
com
pre
sió
n M
pa
Morteros estandarizados NTE INEM 488:2009
100% Cem UGcomercial
LC3-50
24h 4,96 3,81
3d 17,81 13,83
7d 26,94 26,57
28d 39,55 45,73
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
Res
iste
nci
a a
com
pre
sió
n (
MP
a)
Hormigón 496 kg cem/m3
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Morteros vs. hormigón
» La alta superficie específica de las arcillas calcinadas aumenta la demanda de superplastificante
» Cuando la formulación del SP incluye retardador este aumento puede comprometer la resistencia a 24 horas
» El orden en que se añaden los productos puede también tener influencia
El cemento LC3 es un nuevo producto, y como tal deberá tener su propia estrategia de introducción
![Page 54: Desarrollo, fabricación y aplicaciones de los cementos ......Fernando Martirena (Prof. Dr.-Sc.) » Cubano (reside en Cuba) » 1983: Ingeniero Civil, Universidad Central Marta Abreu](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022070219/612f145b1ecc51586943373e/html5/thumbnails/54.jpg)
Guion de la presentación
» Alternativas para la sostenibilidad de la producción de cemento
» Las arcillas como Materiales Cementicios Suplementarios
» La producción del cemento LC3
» Impactos de la utilización del cemento LC3
» Proyectos en camino
![Page 55: Desarrollo, fabricación y aplicaciones de los cementos ......Fernando Martirena (Prof. Dr.-Sc.) » Cubano (reside en Cuba) » 1983: Ingeniero Civil, Universidad Central Marta Abreu](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022070219/612f145b1ecc51586943373e/html5/thumbnails/55.jpg)
Sustitución del 100% del cemento Portland por LC3
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
LC3 concrete P35 concrete
Co
mp
ress
ive
stre
ngt
h M
pa
![Page 56: Desarrollo, fabricación y aplicaciones de los cementos ......Fernando Martirena (Prof. Dr.-Sc.) » Cubano (reside en Cuba) » 1983: Ingeniero Civil, Universidad Central Marta Abreu](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022070219/612f145b1ecc51586943373e/html5/thumbnails/56.jpg)
Concreto con cemento Portland y la adición mineral LC2
15% LC2 30% LC2 45% LC2
15% LC2 30% LC2 45% LC2 Patrón
24 horas 21,2 20 17,2 25,1
3 días 34,7 35,2 32,9 38,4
7 días 46,4 47,9 46,8 48,2
90 dias 68,05 76,8 79,9 0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Co
mp
ress
ive
str
en
gth
Mp
a
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Concreto con cemento puzolánico y la adición mineral LC2
Molienda separada (LC2)
CLK=66% CLK=60% CLK=48% CLK=57% CLK=47% CLK=37%
![Page 58: Desarrollo, fabricación y aplicaciones de los cementos ......Fernando Martirena (Prof. Dr.-Sc.) » Cubano (reside en Cuba) » 1983: Ingeniero Civil, Universidad Central Marta Abreu](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022070219/612f145b1ecc51586943373e/html5/thumbnails/58.jpg)
Concreto de altas prestaciones
58
» Similar strength to PC for LC3 at 2 days already
» Calcined clay outperforms slag
» 55 MPa reached at 28 days
» Similar strength to PC for LC3 at 7 days: 65 MPa
» 75 MPa reached at 28 days
» PC, PPC10SF: more clinker and high binder content:higher reactivity due to higher heat at 2 days?
Slide Francois Avet, EPFL, 2019
50 MPa 70 MPa
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Aplicaciones: viga de puente de 18 m, Cuba
f´cMPa
a/cCPOkg
LC2KG
SPlt
Polvokg
Arenakg
Gravillakg
Agualt
CPO 35 0.40 450 2.25 235 547 882 170
LC3 35 0.40 270 180 5.4 235 547 882 170
1d 7d 28d
Muertos con LC2 (MR) 16,97 39,47 51,40
Muertos con P-35 (MR) 24,20 42,03 48,33
Viga con LC2 Muestra 1 (V1R) 36,77 53,67
Viga con LC2 Muestra 2 (V2R) 37,27 51,00
Viga con P-35 Muestra 2 (V4R) 38,70 47,00
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
Res
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com
pre
sió
nM
pa
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Aplicaciones: Fundación en pilote profundo
additionPrice ton
MN CUC Total
Silica Fume 1000 1000
LC2 13.15 61.16 74.31
La adición LC2 podría sustituir al Silica Fume ($US 1000/ton) en aplicaciones donde la durabilidad es crucial. Los ahorros en costo son sustanciales
Pilote producido conLC2. ECOT Cayo Santa María. 2019
CPO + 15%LC2 CPO + 20%LC2
2d 25 24,8
3d 32,1 28,9
7d 41,8 42,3
28 d 55,4 58,95
0
10
20
30
40
50
60
70
Res
iste
nci
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com
pre
sió
n M
pa
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102,9
136,9
82,5
110,2
79,0
104,6
81,7
105,3
0
50
100
150
200
fc after 7d fc after 28 d
Com
pre
ssiv
estr
ength
[M
Pa]
UHPC 50% LC² CPV I 50% LC²
CPV II 50% LC² CPV III 50% LC²
Concreto de Ultra Altas Prestaciones con LC3
Slide Prof. B. Middendorf, ICSCP 2019, Cuba
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Ensayo acelerado de migración de clorurosModified version of the test, from SIMCO
» Lower voltage, run for at least 10 daysCurrent and Voltage monitored daily
» Use in combination with model to estimate diffusion coefficient of ions in cementitious materials
M. Antoni, PhD thesis, EPFL, 2013
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Resumen de ensayos de migración
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 200 400 600
Cu
rre
nt
[mA
]
Time [hours]
LC3 50 Sample 1
Sample 2
Model
U=30V
D OH 7.5E-12
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 200 400 600
Cu
rre
nt
[mA
]
Time [hours]
PC
Sample 1
Sample 2
Model
U=10V
D OH =7.8E-11
Stadium Model shows an improvement of diffusion coefficient by factor 10 between PC and LC3-50
M. Antoni, PhD thesis, EPFL, 2013
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Inmersión de morteros de LC3 1 y 2 años
Conventional ponding test (similar to ASTM C1543)
64
Exposure to 3% NaCl
Grinding layers
AgNO3 titration
LC3 mortars with Cuban clays (50% Kaolinite):
• 65 (1:1) performance is similar to OPC
• 65 (2:1) moderately improved
• 50 (2:1) shows the best performance
Slide H. Maraguechi
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» La porosidad de pastas de LC3 se analiza usando la Porosimetría por Intrusión de Mercurio (MIP).
» Las pastas con LC3 que tienen solo 50% de Clinker con arcillas que tienen un 50% de caolinita muestran un sistema de poros muy refinado, que permite incrementar resistencia a la difusión de iones corrosivos (cloruros, sulfatos, etc.)
Slide from Francois Avet
Durabilidad: impacto de la estructura de poros de los sistemas LC3
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Reducción en el ingreso de cloruros en sitio de exposición
LC3-50 2:1
PC
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Resistividad
M-381 LC3 50 M32 PC
2016 18,5 6,1
2017 33,6 9,7
2018 56,52 13,23
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
Surf
ace
resi
stiv
ity
(kΩ
)
Low corrosion risk
High corrosion risk
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Corrosion
(LC3) (PC)
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Carbonatación en alta HR
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
M381-LC3 M25 LC3 M32 PC
Car
bo
nat
ion
de
pth
mm
2015
2016
2017
M381: LC3-50
M32: PC
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» High-grade calcined clay
» Worst carbonation resistance for LC3-50 blends
» Similar carbonation depth for PC 1D and LC3-50 3D
Must be taken into account for future protocol
Carbonatación en baja HR
1 day 3 days 28 days
PC
PPC30
LC3-50
EPFL Indoor
Francois Avet, 2016
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Expansión alcalina
No hay expansión luego de 3 años
en condiciones aceleradas
Jobe (high reactive) Verzasca (low reactive)
PC LC3-50 PC LC3-50
0.32M 0.32M 0.32M 0.32M
1.6 M Pore Solution
PS
1.6M
• Inmersos en solución a
partir de 28 días
• Almacenados a 38 ºC
Slide Prof. Karen Scrivener
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Impact of alumina silicate SCMs
» La presencia de aluminio ayuda a reducer la reactividad de áridos reactivos
» El aluminio se adsorbe en los sitios reactivos (tesis de Chappex at EPFL)
Chappex 2012
Dissolution of aggregates
after 1 year in alkaline
solution, no alumina
Dissolution of aggregates
after 1 year in alkaline
solution, with alumina
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Guion de la presentación
» Alternativas para la sostenibilidad de la producción de cemento
» Las arcillas como Materiales Cementicios Suplementarios
» La producción del cemento LC3
» Utilización del cemento LC3
» Impactos de la utilización del cemento LC3
» Proyectos en camino
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Análisis ambientalBACKGROUND DATA FOREGROUND DATA
Cuban cement industry
Cuban transport means + rawmaterials distance
New processes for Cuba
CALCULATED DATA
ENERGY (MJ/t cem)
GLOBAL WARMING POTENTIAL
(Kg CO2eq / t cem)
PRODUCTION COST (USD/t cem)
Sofia Sánchez, 2015
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Consumo de energía (MJ) por ton de cemento, Cuba
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
OPC PPC LCC (RECOVEREDCALCINER)
LCC (FLASHCALCINER)
MJ
Calcination Thermal Calcination Electricity Grinding Electricity
Sofia Sánchez, 2015
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Emisiones de CO2 según fuentes, Cuba (kgs per ton of cement)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
OPC PPC LCC-calc LCC-flash
Kgs
of
CO
2
Limestone decomposition Fuel burning Electricity consumption
Sofia Sánchez, 2015
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Ave. 35.81%
Ave. 25.73%
LC3 vs. OPC LC3 vs. PPC
Potencial de mejora
Sofia Sánchez, 2015
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Peru 2030 Million tons
BAU scenario total emissions 298,3
NDC scenario total emissions 238,7
Saving to achieve for Peru -59,6
Cement Production m tons 100% 17,9
Savings with LC3 (if 100 % LC3) 5,4
Savings with LC3 if 50 % LC3 2,7
NDC Contribution if 50% (59,6 m tons) 4,5%
8
Potencial del cemento LC3 en la NDC Peru
iNDC Peru: Reduction goal of 20-30%
Diapositiva de Urs. Heierli, 2018
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Escenarios productivos evaluados (LC3)
Scenario 1:
- In a cement Plant
- 1 Mio ton LC3
- 300 ktpa of CC
- FC vs. RT
- Clay <10km vs. 200km
- Cash Cost USD 30/t·cem
Scenario 2:
- In a grinding Plant
- 0.4 Mio ton LC3
- 124 ktpa CC
- FC vs. RT
- Clay <10km vs. 200km
- Cash Cost USD 47/t·cem
Scenario 3:
- Greenfield grinding unit
- 0.4 Mio ton LC3
- 124 ktpa CC
- FC vs. RT
- Clay <10km vs. 200km
- Cash Cost USD 47/t·cem
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Costos de producción de arcilla calcinada y LC3
80
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Costos totales de producción del LC3
81
Δ 2-7 USD/t benefit - LC3 v. Cem I (Cash Cost USD 30/t·cem)
Δ 10-15 USD/t benefit - LC3 v. Cem I(Cash Cost USD 47/t·cem)
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Evaluación financiera preliminar
1,61,1 1,3
1,0
4,4 4,4
3,83,5
1,81,4
6,0 6,0
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
Scenario 1.1. Scenario 1.2. Scenario 2.1. Scenario 2.2. Scenario 3.1. Scenario 3.2.
Payback period (in years)
clay close to plant clay @ 200 km
63%
87%
75%
98%
17% 17%22% 24%
55%
71%
9% 9%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
Scenario 1.1. Scenario 1.2. Scenario 2.1. Scenario 2.2. Scenario 3.1. Scenario 3.2.
IRR (in%)
Series1 Series2
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Guion de la presentación
» Alternativas para la sostenibilidad de la producción de cemento
» Las arcillas como Materiales Cementicios Suplementarios
» La producción del cemento LC3
» Utilización del cemento LC3
» Impactos de la utilización del cemento LC3
» Proyectos en camino
![Page 84: Desarrollo, fabricación y aplicaciones de los cementos ......Fernando Martirena (Prof. Dr.-Sc.) » Cubano (reside en Cuba) » 1983: Ingeniero Civil, Universidad Central Marta Abreu](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022070219/612f145b1ecc51586943373e/html5/thumbnails/84.jpg)
Indentificationof suitable clays
Assessingreactivity of
clay candidates
Definingcalcinationparameters
Formulation of cement
Cementoptimization
Clay deposit 1
Clay deposit 2
Clay deposit 3
R3 protocolBound water
I calo
Lithology
XRF chem. composition
?
Selectedcandidates
?
K content
750 oC
800 oC
850 oC
Std. MortarPPC30
Std mortar LC350
I calo
?
Calcination temp.
LC350 2:1/1:1
LC365 2:1/1:1
Min. addition
Std mortar
rheology
I calo
?
Market products
Early strength
Water demand
sulphation
alkalis
grinding
Protocolo para asistir a compañías en la introducción del LC3
84
12
-18
mo
nth
s
Compañía registrada en Glarus, Suiza, con el objetivo de brindar asesoría técnica (consultoría) a empresas del sector en la introducción del cemento LC3(www.ecosolutions.gl)
![Page 85: Desarrollo, fabricación y aplicaciones de los cementos ......Fernando Martirena (Prof. Dr.-Sc.) » Cubano (reside en Cuba) » 1983: Ingeniero Civil, Universidad Central Marta Abreu](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022070219/612f145b1ecc51586943373e/html5/thumbnails/85.jpg)
Equipamiento para
calcinación, molienda y
caracterización
Centro Regional de Tecnología, Cuba
![Page 86: Desarrollo, fabricación y aplicaciones de los cementos ......Fernando Martirena (Prof. Dr.-Sc.) » Cubano (reside en Cuba) » 1983: Ingeniero Civil, Universidad Central Marta Abreu](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022070219/612f145b1ecc51586943373e/html5/thumbnails/86.jpg)
Estado actual de la aplicación. América Latina
PERUXX compañía realizando
estudios de producto
ECUADORXX compañía. Estudios
completes finalizados. Se espera inversión
COLOMBIAXX compañía trabajando en
evaluación de producto
BOLIVIAXX companía ha
mostrado interés y se ha enviado cotización
GUATEMALAXX compañía ha hecho
prueba industrial y prepara inversion
MEXICOXX compañía con interés
en la tecnología
CUBAXX compañía prepara producción
industrial. Inversion en camino 20 miniplantas
GUYANAXX compañía ha
mostrado interés
ARGENTINAXX companía ha
mostrado interés y se ha enviado cotización
![Page 87: Desarrollo, fabricación y aplicaciones de los cementos ......Fernando Martirena (Prof. Dr.-Sc.) » Cubano (reside en Cuba) » 1983: Ingeniero Civil, Universidad Central Marta Abreu](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022070219/612f145b1ecc51586943373e/html5/thumbnails/87.jpg)
Estado actual de la aplicación. África
IVORY COASTXX compañía. Inversión en camino, inicia 2020
CAMEROONInversión planificada
para 2020
GHANAXX compañía planifica
inversión(2020)
SENEGALXX compañia. Inversión planificada para 2020
SIERRA LEONAXX compañía. Inversión
en planes
![Page 88: Desarrollo, fabricación y aplicaciones de los cementos ......Fernando Martirena (Prof. Dr.-Sc.) » Cubano (reside en Cuba) » 1983: Ingeniero Civil, Universidad Central Marta Abreu](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022070219/612f145b1ecc51586943373e/html5/thumbnails/88.jpg)
Conclusiones finales
» Las arcillas calcinadas como una vía de mejorar el perfil ambiental de la industria del cemento en la región Las Américas (15 millones tpa de MCS, reducir el factor de Clinker a 55%, 8.5 millones de toneladas de CO2 ahorradas)
» La combinación con calizas permite reducciones de contenido de Clinker de hasta un 50% para producir un cemento con propiedades similares a un Portland (tipo I)
» Tecnología y experiencia disponible para introducción masiva de la tecnología en la región
» Exitosas aplicaciones industriales en concreto
» Concretos reportar excepcionales comportamiento en durabilidad, en especial ante ataque de cloruros y en presencia de áridos reactivos
» Costos y esquemas de inversión muy atractivos
» Reducción de más de un 35% de las emisiones de CO2 en la producción
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¡Muchas gracias por la atención!
LC3 PROJECT
Fernando Martirena
Project Director. Cuba
+53 5 263 7716
Universidad Central de las Villas
Carretera de Camajuani km 5
Santa Clara, CP 40832
Villa Clara. CUBA