¿Qué es la producción de arena?

¿Qué es la producción de arena?

La producción de arena consiste en extraer, conforme al uso previsto, las arenas presentes en los lechos de ríos, arroyos y riachuelos, así como en lagos y mares, y prepararlas para su utilización. Para ello, la arena se extrae la mayoría de las veces de su lecho de formación o acumulación mediante máquinas de excavación y carga como palas, bulldozers y dragas de arrastre (dragline), luego se transporta a instalaciones de lavado y clasificación por tamaño, donde se limpia de las impurezas indeseadas que contiene, se clasifica por tamaño y, a veces, se seca antes de ponerse a disposición.

¿Cómo se produce la arena?

Producir arena no es difícil. En los lechos de los cursos de agua, los lagos y los mares, la arena se acumula en estado suelto, con los granos separados unos de otros. La arena así presente puede cargarse fácilmente en un camión mediante una cargadora.

De los yacimientos de placer se producen oro, minerales pesados y arena. La mayoría de las veces, las formaciones de placer están muy alejadas de los lugares de uso de la arena y el agregado. Su transporte implica un coste considerable. No obstante, la arena se produce a partir de los yacimientos de placer situados a una distancia razonable de los lugares de uso.

En la mayoría de los placeres, la arena y las gravas se encuentran aglomeradas y cementadas entre sí. Como los placeres se forman con el tiempo, también contienen materias orgánicas indeseadas en el hormigón. Por ello es necesario desagregar los terrones de arena endurecida mediante un log washer y luego limpiarlos de las impurezas orgánicas que contienen mediante espirales.

Hoy en día, según el lugar de uso, el agregado se produce a partir de caliza, dolomía, granito, sienita, diorita, monzonita, andesita, basalto y gravas de río. Cuando el agregado se tritura más finamente, e incluso se muele, se obtiene arena. Estas arenas se denominan «arena triturada». El material producido, según las propiedades del agregado y la arena, se utiliza en el sector del hormigón y la construcción.

La caliza es la roca más utilizada para producir agregado y arena. Las rocas que contienen al menos %90 de CaCO3 se denominan «caliza». Como el contenido de CaCO3 en la composición química de la roca es superior al %90, se denomina caliza. Cuando contiene más del %98,5 de CaCO3, la roca entra en la categoría de caliza de alta pureza.

Los efectos ambientales de la producción de arena

Debido a sus propiedades físicas y químicas, así como a los impactos ambientales y sociales de la extracción, las arenas del desierto y del mar no son adecuadas para su uso en el sector de la construcción.

La extracción de grandes cantidades de arena en los placeres, los lechos de ríos y arroyos y en los alrededores de estas zonas provoca grandes cambios en la topografía, el ecosistema y la biodiversidad de la región. El mejor (peor) ejemplo de ello puede verse en la comparación de dos imágenes tomadas por la NASA en 1995 y en 2013 alrededor del lago Poyang.

El lago Poyang es el mayor lago de agua dulce de China. La extracción de arena ha alterado considerablemente la estructura del lago, especialmente en la entrada y la salida del agua.

A medida que se extrae arena de las zonas de los ríos cercanas al mar, el lecho del río se profundiza y, al bajar el nivel del agua, el agua salada del mar penetra hacia el interior a través del lecho del río. Como consecuencia de la extracción de arena, la estructura ecológica de la región se degrada y, debido al agua salada que penetra hacia el interior, el uso de la tierra con fines agrícolas se vuelve imposible. En la región aumenta la necesidad de agua limpia y dulce, y se producen hundimientos del terreno e inundaciones.

Las consecuencias negativas de la extracción de arena en los ríos son especialmente visibles en muchos países. En el río Mekong, el más largo del sudeste asiático, la extracción de arena hizo descender el nivel del delta, donde penetró el agua de mar, salinizando tierras antes fértiles y cultivadas y dejando las tierras de la región inservibles para la agricultura.

En Indonesia, que cuenta con 17.500 islas, de las cuales más de 7.000 están deshabitadas, unas 24 islas han desaparecido por erosión a causa de la extracción de arena. La extracción de arena también ha afectado negativamente a la pesca.

En África también han empezado a utilizarse generalmente las arenas de las playas para construir grandes ciudades. Se señala que esta explotación podría hacer que las franjas costeras sean más vulnerables a los efectos del cambio climático, como tormentas más intensas.

La extracción irregular, sin normas y realizada en cada yacimiento de arena tiene efectos negativos sobre el medio ambiente. Para regular la producción de arena en el mundo, se recomienda establecer una norma internacional en este sentido.

El proceso de producción de arena

El proceso de producción de arena se gestiona con cuidado para garantizar un uso sostenible de los recursos naturales. En primer lugar, los grandes bloques de roca se trituran y se criban para transformarlos en granos de arena. Después, la arena se lava, se clasifica y a veces se trata mediante procesos químicos para dotarla de las propiedades ideales para los sectores de la construcción y la industria.

La formación de la arena y sus fuentes

Con el tiempo, las rocas se transforman en arena al erosionarse por diversos efectos físicos: la congelación del agua que contienen con el frío y su deshielo con el calor, los cambios de la temperatura del aire y, sobre todo, el viento. La arena así formada es transportada y acumulada por el viento en las llanuras y los desiertos, y por las aguas hacia el mar y los lechos de ríos y arroyos.

El contenido de SiO2 de la arena utilizada en el sector de la construcción suele situarse entre el %60 y el 75. Según su estructura, la arena puede contener contenidos de SiO2 aún más elevados. Esta arena puede utilizarse entonces en el sector de la construcción y en otros sectores. Lo importante aquí es que la superficie de los granos de arena sea propicia para el fraguado del hormigón.

Las arenas cuyo contenido de SiO2 es del %90 o más proceden principalmente del granito, la sienita, la granodiorita, la diorita, la monzonita y los filones de cuarzo. Debido a la fragmentación de estas rocas por las condiciones naturales y a su acumulación en un mismo lugar por su densidad, el contenido de SiO2 de los depósitos antiguos puede alcanzar el %90 o más.

¿Se puede producir arena a partir de las rocas?

La arena se formó tras un largo proceso de fragmentación de las rocas por los fenómenos físicos naturales. Hoy en día, mediante equipos y fuerzas físicas aplicadas a las rocas de forma acorde con la formación natural de la arena, puede producirse arena de calidad aún mayor. Para ello se utilizan trituradoras y molinos que, mediante operaciones de trituración y molienda de las rocas, permiten producir arena en muy poco tiempo. La caliza, la dolomía, el granito, la sienita, la diorita, la monzonita, la andesita, el basalto y las gravas de río, una vez triturados e incluso molidos, dan arena. Estas arenas se denominan «arena triturada». El material producido, según las propiedades del agregado y la arena, se utiliza en el sector del hormigón y la construcción.

Las etapas del proceso de producción de arena

La producción de arena varía según la formación de la arena, su lugar de presencia y el uso al que se destina. Si, tras su formación, la arena se ha endurecido por efecto de la compactación, se afloja con bulldozer. La mayoría de las veces puede extraerse con excavadora o cargadora sin necesidad de aflojarla.

Para la producción de arena en el fondo del mar o en los lagos se utilizan dragas de arrastre con cuchara de cable denominadas draglines. Cuando la arena no se extrae a gran profundidad, grandes bombas fabricadas con fines especiales, instaladas en pontones o plataformas flotantes, aspiran arena y agua desde el fondo, y luego el agua y la arena se separan en un medio adecuado.

Otro método consiste en transportar la arena, mediante un transportador de paletas cortantes o ruedas descendidos al fondo del mar, desde su emplazamiento hasta el buque o la plataforma situados en la superficie.

Si la arena se extrae del mar o de un lago, en una zona alejada de la orilla, cuando es necesario se tiende una tubería hasta la costa. O bien la arena extraída del fondo se almacena en una plataforma flotante y se transporta a la costa a intervalos regulares.

La extracción y el procesamiento de la arena

Una vez producida en su lugar de formación, la arena debe lavarse para limpiarla de las posibles impurezas que contiene. Para ello, cuando es necesario, se utiliza un log washer para separar los granos de arena adheridos entre sí, y se emplean tambores de lavado, cribas de lavado, espirales o ciclones para limpiar la arena de las impurezas físicas y químicas no aptas para su uso. La arena así limpiada se clasifica luego en cribas según su tamaño, conforme al uso previsto.

Las tecnologías de producción de arena

Las tecnologías de producción de arena tienen como objetivo minimizar los impactos ambientales y aumentar la eficiencia. Trituradoras avanzadas y máquinas de cribado especialmente diseñadas llevan los granos de arena a los tamaños deseados a la vez que reducen el consumo de energía. Además, los sistemas de reciclaje de agua reducen el uso de agua y aligeran la carga sobre el medio ambiente. Sensores de última generación y sistemas de automatización optimizan todo el proceso, aumentando la velocidad y la calidad de producción, ofreciendo así soluciones modernas para una producción de arena sostenible.

La aportación de las tecnologías modernas a la producción de arena

No existe una tecnología propia de la producción de arena. La capacidad, la funcionalidad y la eficacia de los equipos utilizados actualmente se incrementan mediante nuevas aplicaciones. Estos equipos pueden, cuando es necesario, dotarse de dispositivos de control electrónico adecuados.

Las operaciones de cribado y lavado de la arena

La arena, la grava y demás materiales utilizados en la construcción y la fabricación de hormigón contienen, aunque en pequeña cantidad, elementos como sal, arcilla, esquisto, lodo, hojas y ramas de árboles que causan problemas en el revoco y el hormigón tras su uso y reducen su resistencia. En tal caso, primero hay que liberar los materiales que se van a utilizar de los elementos indeseados que contienen y luego lavarlos y retirarlos del medio para limpiar la arena.

En los yacimientos de placer, para recuperar sin molienda los minerales valiosos contenidos en los terrones parcialmente mezclados o aglomerados, ligados sobre todo con arcilla, esquisto o cal, estos terrones se desagregan primero mediante una fuerza física y luego se lavan.

Cuando los terrones no están fuertemente ligados entre sí, es posible, mediante un simple lavado, dispersarlos con agua y separarlos unos de otros. Sin embargo, si se han unido con ligantes muy fuertes, resulta algo difícil separarlos. Según su tamaño, hay que separarlos primero unos de otros mediante tanques de disgregación de arcilla (clay tanks) o un log washer, y luego limpiarlos mediante lavado.

Los lavadores son equipos que, mediante agua, eliminan del medio los elementos indeseados para dejar las rocas en condiciones de uso según su estado, tamaño y uso previsto. La mayoría de las veces, el material debe deshidratarse tras el lavador. Para ello, el equipo utilizado como lavador realiza conjuntamente las operaciones de lavado y deshidratación.

El log washer es una especie de artesa de lavado, físicamente similar a las espirales, utilizada antes del cribado o la deshidratación. En una artesa estrecha se disponen paletas de diversas formas sobre un eje giratorio único o, la mayoría de las veces, sobre dos ejes que giran en sentido contrario uno respecto al otro. En el material alimentado, la relación sólido-líquido se mantiene lo más alta posible. En la artesa, la arcilla, la arena, el esquisto y los lodos adheridos se separan entre sí por el rozamiento del material consigo mismo, con las paletas o entre las paletas y la artesa.

Los tanques de disgregación de arcilla (clay tanks) también se utilizan ampliamente para desagregar el material aglomerado y liberar la arcilla.

En los tanques de disgregación de arcilla se disponen paletas de mezcla en número variable sobre el eje situado en el centro del tanque para que el material se mezcle y roce consigo mismo. Aunque las paletas giran en el mismo sentido, al estar invertidos sus ángulos, el material se desplaza entre las paletas unas hacia otras, provocando el choque de los granos. Con estos movimientos, la arcilla se desprende del material al que estaba adherida. En los tanques es importante el tamaño del material que se va a limpiar. El material no debe tener un tamaño que pueda sedimentar en el fondo del tanque.

En los tambores de lavado-deshidratación se eliminan mediante lavado los elementos indeseados como la arcilla y el lodo contenidos en la arena.

Los lavadores-deshidratadores de cangilones se fabrican para lavar el material y separar, mediante lavado, el sólido de la mezcla de sólido y agua sucia que se forma.

Por lo general, el material clasificado por tamaño procedente del cribado húmedo se alimenta al tanque del deshidratador. El material alimentado, por un lado, se lava al ser agitado por las espirales a lo largo del tanque y, por otro, es desplazado por las espirales hacia la rueda de cangilones. En este proceso, la arcilla, el esquisto y el lodo se separan de la arena y flotan, mientras que la arena de mayor tamaño se hunde. La arena que se hunde es empujada por las espirales hacia la rueda de cangilones; los cangilones recogen la arena del fondo del tanque y la elevan a la superficie del agua, donde el agua se escurre, y luego la arena se retira del medio para su uso.

La unidad de lavado y deshidratación de arena está compuesta por una o varias ruedas de cangilones, una bomba de lodos, un hidrociclón, un tanque, un silo, una criba de deshidratación y transportadores de banda. Según el tamaño del ciclón, puede realizarse una separación de hasta 75 μ.

El tambor de lavado está compuesto por un cuerpo cilíndrico giratorio con paletas internas que hacen subir y caer el material para mezclarlo y lavarlo. La mayoría de las veces se coloca una criba a la salida del tambor para limpiar el material lavado.

Las espirales de lavado: además de los ciclones, los clasificadores mecánicos de espiral y de rastrillo han encontrado una amplia aplicación en las plantas de lavado de arena. Las espirales de lavado están compuestas por un tanque donde sedimentan los granos gruesos y un sistema mecánico que arrastra y evacúa los materiales sedimentados. Los granos pequeños y finos rebosan del tanque y se recogen. La densidad del material, su forma y la densidad de la pulpa son las variables que influyen en la sedimentación.

Por sus lugares de formación y de presencia, las canteras naturales de arena y grava contienen componentes inorgánicos como arcilla, limo y fango, y a veces materias extrañas orgánicas como madera, raíces y hojas de árboles. Estas materias son indeseadas en la arena en función de su lugar de uso.

Los sistemas de automatización que aumentan la eficiencia en el lavado de arena

Sin duda, cada equipo utilizado en las plantas de lavado de arena tiene unas condiciones de trabajo en las que es más eficaz. Variables de funcionamiento como el caudal de agua, la presión del agua, las revoluciones, la densidad del medio, la capacidad y el consumo de energía determinan la eficacia de la planta y del equipo utilizado y, en definitiva, el coste de producción. Estas variables pueden ajustarse tanto por los operadores como mediante dispositivos electrónicos y equipos de control de proceso integrados en el sistema. La mayoría de las veces, las plantas de lavado de arena se gestionan desde un único centro de control, desde el cual también pueden modificarse los datos de proceso.

La producción sostenible de arena

Las prácticas mineras sostenibles

Después del agua, la arena es el segundo recurso más utilizado por el ser humano en el mundo. En su informe publicado en 2022 con el título «Sand and Sustainability: 10 Strategic Recommendations to Avert a Crisis» («Arena y sostenibilidad: 10 recomendaciones estratégicas para evitar una crisis») del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (UN Environment Programme), se indica que la producción de arena es insostenible, que esta producción aumenta un %6 cada año, y se pide que se «defina como un recurso estratégico» y que «se revise su extracción y su uso». Algunos países, tomando en serio la cuestión, han empezado, como medida, a utilizar materiales renovables y reciclados en la construcción. No obstante, esta recomendación no ha tenido, por parte de la mayoría de los países, la acogida esperada y necesaria.

Para hablar de sostenibilidad en la producción de arena, es necesario, ante todo, que la arena se utilice correctamente, que la arena procedente del reciclaje se reincorpore obligatoriamente al ciclo de uso y, por otra parte, que se impongan determinadas normas a la producción de arena.

La importancia de la arena reciclada

La oferta de arena no es infinita. Cuando se habla de arena, para algunos los recursos de arena del mundo —placeres, desiertos, playas y lechos de lagos, en primer lugar— parecen ilimitados. Sin embargo, la mayoría de estas arenas no son adecuadas para su uso, especialmente en el sector de la construcción. Por ello, los recursos de arena existentes deben utilizarse de forma planificada. Por otra parte, el uso de la arena reciclada también evitará el uso innecesario de estos recursos existentes.

Bien seleccionados, los residuos de construcción reciclados pueden reutilizarse como material de relleno, hormigón de relleno, revoco o solera. Estos residuos también pueden utilizarse como hormigón portante en edificios de pocas plantas.

Para que los residuos de construcción puedan reciclarse, es imprescindible triturarlos, clasificarlos por tamaño y lavarlos bien.

Los tipos de arena utilizados en el sector de la construcción

Los tipos de arena comúnmente utilizados en los proyectos de construcción

La arena utilizada en el sector de la construcción es un material sedimentario de textura suelta cuyo tamaño está comprendido entre -2 mm y +63 µ. Se habla de arena fina para un tamaño entre -250 µ y +63 µ, de arena de grado medio entre -1 mm y +250 µ, y de arena entre -2 mm y +1 mm. La arena contiene minerales como cuarzo, feldespato, mica y glauconita. Las propiedades superficiales de los granos, su dureza, su contenido de arcilla y otros componentes determinan las características de las arenas.

Según el uso, la arena de tamaño < 0,25 mm se denomina limo de arena, filler o arena de arena, y se utiliza como material de relleno. La de 0,25 a 1 mm es la arena de acabado o arena fina utilizada para el revoco fino; la de 0,25 a 4 mm es la arena de tamaño medio utilizada para el revoco normal y grueso; la de 0,25 a 8 mm se conoce como la arena gruesa utilizada en el hormigón.

El papel de la arena en los materiales de construcción

El hormigón es el componente principal imprescindible de la construcción y se obtiene mediante la mezcla homogénea, en determinadas proporciones, de cemento, agua, agregado, arena y algunos aditivos. Después, esta mezcla se vierte, la mayoría de las veces junto con armaduras de acero según el proyecto, en un encofrado determinado, y se espera a que fragüe para que se vuelva resistente a la compresión.

Para que el hormigón, una vez fraguado, presente una elevada resistencia a la compresión o capacidad portante, debe mezclarse correctamente, ser homogéneo, no contener huecos y regarse adecuadamente durante el fraguado. La propiedad más importante de la arena es rellenar, al recubrirse de cemento, los huecos entre los agregados de mayor tamaño y aumentar, por su capacidad ligante con el cemento, la resistencia del hormigón.

La importancia de una arena de calidad

Se desea que el hormigón presente una elevada resistencia a la compresión. Para obtener un hormigón de alta resistencia a la compresión es necesario utilizar arena de calidad.

Las rocas de composición cuarcítica se conocen como agregado de calidad utilizado para el hormigón y el mortero. El hormigón contiene, en peso, una proporción de agregado del %75 al 85. Este agregado puede ser grava natural de composición silícea o un material obtenido al pasar por la trituradora bloques y rocas de estructura química similar.

La estabilidad y la densidad de la arena dependen en gran medida de la forma de los granos de arena y de su capacidad de adherirse unos a otros. Antes de utilizar la arena en el hormigón, debe comprobarse la forma física de sus granos. El hormigón en el que se utilizan arenas compuestas por granos redondeados presenta una baja resistencia a la compresión. Las partículas de arena alargadas o angulosas, con superficies rugosas, proporcionan al hormigón una mayor resistencia.

Los granos de la arena que se va a utilizar en el sector de la construcción deben encajar sin dejar huecos entre sí; los granos de arena deben ser angulosos para poder agruparse de forma compacta. La mayoría de los granos de arena del desierto y del mar tienen forma redondeada y, cuando se agrupan, se forman huecos entre ellos. Esto reduce la capacidad de la arena y el agregado de ligarse entre sí en el hormigón.

Para que la arena y el agregado utilizados en el sector de la construcción formen una buena unión al ligarse con el cemento, su superficie exterior debe ser rugosa.

Una de las propiedades más importantes de la arena que se va a utilizar en el hormigón es también la distribución granulométrica. Para que se forme una buena unión entre el agregado y la arena en el hormigón, la arena debe presentar una determinada distribución granulométrica. Las arenas finas no permanecen estables en el hormigón, los granos pequeños provocan el deslizamiento del hormigón y, en consecuencia, se dificulta la formación de los enlaces químicos necesarios para el fraguado del hormigón.

El álcali es un compuesto totalmente indeseado en la arena. La arena con contenido de álcali reduce la resistencia del hormigón. En las arenas del desierto, el agua del medio se evapora por efecto del calor, quedando sal y álcalis en la arena. El agua de mar es de por sí salada. Aunque esté bien lavada, la poca sal que queda en la arena absorbe humedad de la atmósfera y, con el tiempo, oxida las armaduras del hormigón, debilitando así el hormigón.

Aunque estén rotas, las conchas son planas, sus superficies son brillantes, y a las superficies brillantes tampoco se adherirá el cemento. También es difícil limpiar la arena de las conchas. Mientras no se eliminen de la arena las conchas, en especial las de mejillón, presentes en la arena de mar, estas no se integrarán con el hormigón, se formarán huecos en el hormigón y, por consiguiente, disminuirá la resistencia del hormigón.

El mercado de la arena y su futuro

La demanda y la oferta mundiales de arena

En el mundo se consumen anualmente unos 4.000 millones de toneladas de cemento. La cantidad de arena utilizada es aproximadamente 10 veces el consumo de cemento; con una buena aproximación, cada año se utilizan en el mundo más de 40.000 a 50.000 millones de toneladas de arena. Por otra parte, la naturaleza produce continuamente arena al erosionar y descomponer las rocas. Sin embargo, en el último siglo, la cantidad de arena consumida en el mundo ha quedado muy por encima de la que produce la naturaleza.

Las tendencias del mercado de la arena

Los países obtienen la arena necesaria para sus sectores de la construcción de los fondos marinos y de los lechos de ríos y arroyos. Sin embargo, se plantean problemas ambientales en cuanto a la utilizabilidad y la calidad de la arena producida, así como en las zonas de extracción de arena.

La mayoría de los países tienen sus propias normas legales sobre la extracción de arena dentro de su territorio. En estos países también está definida la calidad de la arena que puede utilizarse en el sector de la construcción. En los países subdesarrollados y en desarrollo que carecen de normas legales, la extracción de arena se realiza de forma desordenada, e incluso esta actividad es organizada por organizaciones ilegales.

Uno de los problemas importantes relacionados con la arena es también el coste que hay que asumir para transportar la arena desde su lugar de producción hasta su lugar de uso. Como, en el comercio internacional de arena, los costes de transporte constituyen el 70 por ciento de los costes totales, la arena se suministra ante todo a partir de fuentes locales. Por lo general, cuando la distancia de transporte de la arena y el agregado supera los 50 km, la proporción del coste de transporte dentro del precio de venta de la arena y el agregado aumenta considerablemente. Naturalmente, el aumento de la distancia es directamente proporcional al aumento del coste. En cambio, algunos países ricos pueden asumir, más allá incluso de los 50 km, el coste del transporte de arena por vía marítima a lo largo de kilómetros.

Según los datos del OEC, Australia es, después de Estados Unidos, el segundo mayor país exportador de arena del mundo. El tamaño del sector de la construcción es directamente proporcional a la población. China, que consume anualmente unos 20.000 millones de toneladas de arena, es el mayor productor de cemento del mundo.

Según un grupo de investigación neerlandés, desde 1985 el ser humano ha creado en el mundo, a lo largo de las costas marinas, zonas artificiales de arena de 13.500 m2 de superficie. En los últimos 20 años, Singapur ha importado unos 550 millones de toneladas de arena de los países del sudeste asiático y ha dejado utilizable una superficie de 130 millones de km2. Los Emiratos Árabes Unidos también pagan cada año 6.000 millones de dólares a Australia por la importación de arena.

La producción y el uso de la arena en el futuro

Cuando se habla de vivienda, lo primero que viene a la mente es un espacio cerrado como un edificio, así como la arena, la grava y el cemento utilizados en su construcción. Se indica que en los próximos 10 años la necesidad mundial de arena superará los 50.000 millones de toneladas, que esta necesidad será difícil de satisfacer y que se producirá una grave escasez de arena. Por ello se plantea cubrir la demanda de arena necesaria ante todo produciendo arena a partir de agregado.