cemento composicion mineralogica

[ ] TECNOLOGÍA DE MATERIALES

Cemento – composición mineralógica

El análisis químico del cemento, en términos de porcentaje de óxidos, tiene poco significado en lo que respecta a las propiedades del mismo, ya que son los compuestos formados durante el proceso de fabricación por interacción de los cuatro óxidos fundamentales mencionados anteriormente, los cuales son los responsables del fraguado y resistencia del cemento hidratado.

De los cuatro óxidos fundamentales: CaO, SiO2, Al2O3 y Fe2O3, uno solo tiene carácter básico: el oxido de calcio ( CaO ). Los otros tres se comportan como anhídridos, es decir, con carácter ácido. Debido a ello, es fácil comprender que en el proceso de formación del clinker, las materias primas que contengan los cuatro óxidos fundamentales, formaran compuestos de cal, tales compuestos serán: silicato de calcio, aluminatos de Calcio y Ferro-Aluminatos de calcio. El oxido de calcio, por consiguiente, satura hasta un cierto límite los componentes ácidos y para que dicha saturación tenga lugar, las cantidades de los cuatro componentes principales han de cumplir una serie de reacciones denominadas módulos, que ya se estudio anteriormente .Es decir, la mezcla de caliza, arcilla y otros componentes han de tener una proporción conveniente de estos.

Durante el proceso de cocción y a distintas temperaturas se forman unos determinados compuestos mineralógicos, unos primeros, otros después, dentro de un amplio rango de temperaturas: entre 1000 y 1450 °C, aproximadamente. Se puede considerar que el cemento se encuentra en un EQUILIBRIO CONGELADO, asumiendo que los productos enfriados producen el equilibrio existente a la temperatura de clinkerizacion.

Silicato Tricálcico ( C3S ): Es el material más importante del clinker y determina la rapidez del fraguado, la resistencia mecánica y otras propiedades del cemento Pórtland, su cantidad en el clinker es de 40 a 60%. Se vuelve gelatinoso en pocas horas, generando una cantidad apreciable de calor de hidratación, que llega a 380J/gr. A los 28 días. Su fragua inicial y final se realiza a pocas horas después del amasado y termina en un periodo inferior a 7 días, por ello, se le atribuye el rápido desarrollo de las resistencias iníciales. Comercialmente se le denomina Alita y representa una solución sólida de silicato tricálcico con una pequeña cantidad ( 2 a 4% ) de MgO, Al2O3, P2O5, Cr2O3 y de otras impurezas que pueden influir considerablemente sobre la estructura y las propiedades. Según Regours y Guinier, en el intervalo entre la temperatura normal y 1100 °C, el C3S se cristaliza en seis formas poliformas. La alita se fija en el clinker en forma de una modificación trigonal. Observando una microfotografía de una placa pulimentada y decapada del clinker, los cristales de alita tienen, por lo general, forma hexagonal o rectangular. Son preferible los cristales de forma regular alargada con un tamaño de 0.003 a 0.02 mm, que favorecen las resistencias mecánicas del cemento.Las mezclas de C3S y agua son menos plásticas que las del cemento Pórtland, sin embargo, la trabajabilidad se puede mejorar con adición de yeso.

Ing. Edison Palma Vañez Pág. 1


Silicato de Bicálcico ( C2S): Es el segundo mineral siliceo por su importancia y contenido ( 10 a 30% )que está constituido el clinker, y que determina las características del comportamiento de las resistencias a la compresión. Presenta un tiempo de fraguado incierto, pues, el amasado fragua lentamente en un periodo de algunos días. A diferencia del silicato tricálcico, su desarrollo de resistencias es lento en las edades iniciales, pero aumenta con el tiempo hasta una resistencia igual al del C3S, y por lo tanto, es menor su calor de hidratación, que llega hasta 105 J/gr. A los 28 días. La adición de yeso no produce un cambio notable. En el intervalo entre la temperatura normal y 1500 °C existen cinco formas cristalinas del C 2S. Comercialmente se le denomina belita y en el clinker representa una solución sólida del silicato bibaltico β (C 2S – β ) y de una cantidad pequeña ( 1 a 3% ) de Al2O3, Fe2O3. MgO, Cr2O3 y otros. Cuando el clinker caliente que salió del horno se enfría paulatinamente, a una temperatura por debajo de 525 °C, el C 2S – β puede transformarse en C2S – r, con la particularidad de que esta transición va acompañada del aumento de la distancia de base, es decir la estructura molecular de la belita se vuelve más mullida. En efecto, la densidad del C 2S – β es igual a 3.28 g/cm3, mientras que la el C2S – r es de 2.97 g/cm3, por eso, la transición poliforme provoca un incremento del volumen absoluto de la belita aproximadamente en el 10%; como resultado, los granos del clinker se desmoronan en polvo. Podía parecer que la dispersión espontánea facilitaría la trituración del clinker, pero, por desgracia, el polvo del C2S – r a temperaturas de hasta 100 °C prácticamente no reacciona con el agua, es decir, no posee propiedades aglomerantes. Por consiguiente, es necesario impedir que la belita pase a forma r. A la estabilización de la fase el C2S – β favorecen algunas impurezas: Al2O3, Fe2O3, MgO, Cr2O3 y otras, que se introducen en la red cristalina en una cantidad de 1 a 3%. En calidad de un “temple” originadle la belita sirve un enfriamiento bastante rápido del clinker en dispositivos de refrigeración que se sitúan a la salida del clinker del horno. Regulando la velocidad de enfriamiento del clinker, se obtiene belita en forma de unos cristales compactos redondos con un tamaño de 0.02 a 0.05 mm.

La suma entre el silicato tricálcico y el bicálcico es de alrededor de 70 a 75% del total de la composición del clinker, por eso la hidratación de la alita y belita, por lo común, define las propiedades técnicas del cemento Pórtland. El 25% restante viene constituido por la sustancia intermedia que llena el espacio entre los cristales de alita y belita.

La sustancia intermedia está constituida por cristales de aluminato tricálcico (C3A), ferro-aluminato tetracálcico (C4AF), vidrio y minerales secundarios (12CaO.7Al2O3 y otros ). Su contenido puede variar entre 4 y 12% y en condiciones favorables de cocción se obtiene en forma de cristales cúbicos con dimensiones de hasta 0.01 a 0.015 mm, forma soluciones sólidas de composición compleja. La densidad del C 3A es igual a 3.04 g/cm3; se hidrata y fragua con gran rapidez, casi instantáneo en el amasado con agua acompañado de desarrollo de calor de hidratación muy elevado, llegando hasta 1380 J/g. A los 28 días. Presenta buena plasticidad y trabajabilidad con un amasado continuo; bajo el agua se desintegra y desmorona. Se obtiene un tiempo de fraguado normal al añadir yeso y puede dar lugar a la formación de un compuesto expansivo denominado Etringita, dañino para el concreto (corrosión sulfoaluminatica ). En ausencia de yeso, la reacción del C 3A con el agua es muy violenta y conduce al endurecimiento inmediato de las pastas. Su efecto en relaciona las resistencias a comprensión es a aumentarla a la edad inicial de 24 horas (pequeña resistencia mecánica), sin desarrollar más resistencia posteriormente.

Ferro Aluminato tetracálcico ( C4AF ): Su presencia es de menor importancia en comparación a la de los anteriores compuestos mencionados, constituye en el clinker una cantidad de 4 a 15%. El C4AF es la sustancia



intermedia del clinker representa una solución sólida de ferroaluminatos cálcicos de diferentes composición. Sus densidades de 3.77 g/cm3. Presenta incierta contribución a las resistencias mecánicas; se hidrata rápidamente, por lo que presenta un fraguado en pocos minutos, no tanto como el C 3A; el fraguado es acompañado de desarrollo de calor de hidratación, llegando a 495 J/g a los 28 días.

Problemas

1. El análisis químico de un cemento es el siguiente:

Interpretar dicho análisis

2. Para la construcción de una presa llega a obra una partida de cemento artificial cuyo análisis químico es el siguiente:

Se pide: - Interpretar el análisis - Indicar si este cemento es apropiado para construir una presa.



3. El análisis químico siguiente de un cemento Pórtland :

Se desea saber:

- Cual es el índice de saturación en cal, es utilizable en presas

4. El análisis químico de un clinker de cemento portland es el siguiente:

Calcular la composición potencial del clinker y estudiar sus características

5. El análisis químico del clinker de un cemento portland es el siguiente:

Calcular X e Y sabiendo que en el clinker sólo existe el C4AF como fundente. Calcular también la composición potencial del clinker y estudiarlo.

6. El análisis químico del clinker de un cemento portland es el siguiente:

Calcular X e Y sabiendo que en el clinker sólo existen el C4AF y un (12,2)% de C3A como fundentes. Calcular también la composición potencial del clinker y estudiarlo.

7. Analizando un clinker de un cemento portland, se obtuvo el siguiente resultado:

Calcular X e Y sabiendo que en el clinker sólo existen el C4AF y un (11,6)% de C2F como fundentes. Calcular también la composición potencial del clinker y estudiarlo.

8. Una empresa de fabricación de cemento dispones de tres materias primas (Caliza, marga y arena), cuya composición química es la siguiente:

Determinar en qué proporción han de mezclarse para obtener un crudo que dé un clinker con la siguiente composición química:

9. Determinar si es posible obtener un clinker de composición:

a partir sólo de caliza y marga de la siguiente composición:


SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO OTROS RI ppc22,3 4,6 3,1 66,4 2,5 0,6 0,3 0,2

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO OTROS RI ppc21,7 X Y 65,6 0,8 0,3 0,0 0,0




(*) Materias primas calcinadas y sin resto

10. Una empresa de cementos dispone de tres materias primas caliza, arcilla y arena, ya calcinadas, cuya composición química es la siguiente:

Las pérdidas a la calcinación de la caliza y de la arcilla son 40.1 % y 7.5 % respectivamente. La de la arena se supone despreciable. Se pide:

a) Calcular la proporción en la que se han de mezclar para obtener un clinker con una composición potencial en la que el 50 % sea C3S y el 25 % C2S.

b) Calcular la composición química de la mezcla, as¡ como la composición química y potencial del clinker. c) Calcular los valores del módulo de silicatos y de alúmina. d) ¿Con dicho clinker se podrá fabricar un cemento resistente a los sulfatos?

11. Se dispone de cuatro materias primas cuyos análisis químicos son los siguientes:

Se desea saber en qué proporción deben mezclarse para obtener un clinker cuyo módulo hidráulico sea igual a 2.2, módulo de silicatos igual a 1.9 y que no contenga C3A ni C2F.

12. PROBLEMAS TEÓRICOS

A) Definir clinker.B) Diferencias entre producto corrector y producto auxiliar en el crudo de Portland.C) Definir estándar de cal o grado de saturación de cal. ¿Qué objetivos persigue?.D) Qué entendemos por silicatos del clinker de portland?. ¿Cuáles son?.E) ¿Qué entendemos por fundentes del clinker de portland?. ¿Cuáles son?F) Enunciar las características del silicato bicálcico.G) ¿Qué es la cal libre del clinker de portland?. ¿Cuántos tipos de cal libre existen?.

H) ¿Qué entendemos como residuo insoluble del clinker de portland? ¿A qué es debido su presencia?.I) ¿Qué es el fraguado del cemento portland?. ¿Qué propiedades tiene la reacción de fraguado?.J) ¿Qué compuesto se utiliza como regulador de fraguado en el cemento portland?. ¿Cómo actúa?.

K) Estudiar la aportación de cada componente mineralógico del clinker a las resistencias mecánicas finales del cemento Portland fraguado.



L) ¿Qué inconvenientes presenta el uso del cemento portland?.

M) RESPONDA SI ES VERDAD O FALSO

El crudo es una mezcla adecuada de rocas calizas y arcillosas. En el crudo además de las calizas y arcillas, no intervienen otros componentes. El crudo de cemento Portland se obtiene a altas temperaturas, próximas a la sinterización. En la cocción del crudo no se llega a fusión parcial de los componentes. Las calizas amorfas ricas en carbonato cálcico aportan pocas impurezas al clinker de cemento portland. Los productos arcillosos aportan al clinker los óxidos de carácter ácido. Los productos auxiliares corrigen las deficiencias de las materias primas. Las margas pueden sustituir a las rocas calizas y a las arcillas en el crudo de cemento Portland. La bauxita es un producto corrector de sílice en el crudo de cemento Portland. El (MgO) es el óxido de carácter básico principal en el crudo de cemento portland. (SiO2), (Al2O3) y (Fe2O3), son los óxidos de carácter ácido principales en el crudo de cemento portland. El módulo silícico caracteriza la composición de la fase fundida. El módulo de fundentes caracteriza la composición de la fase fundida. El estándar de cal fija el contenido óptimo de cal para formar los componentes hidráulicos sin que quede cal libre. El (C3S) sólo existe en los cementos derivados del clinker de Portland. El óxido de calcio es un componente principal del clinker de Portland. El (C2S) existe en la cal hidráulica y en el clinker de Portland. El (C2F) y el (C3A) pueden coexistir en el clinker de Portland. El (C3S) es el responsable de las resistencias del cemento a corto plazo. El (C3S) es más estable químicamente que el (C2S). El (C3A) es el componente más energético del clinker de cemento portland. El (C3A) presenta una buena estabilidad química a los sulfatos y al agua de mar. El (C2F) aparece en el clinker de portland cuando el módulo de fundentes es menor a (0,638). El óxido de magnesio del clinker puede producir expansiones diferenciadas en los cementos fraguados. El óxido de cal libre es un componente principal del clinker de portland. La pérdida al fuego del clinker de cemento portland se considera una medida de su meteorización. Residuos insolubles en ácido clorhídrico, trióxido de azufre y álcalis son compuestos secundarios que impurifican el clinker. El (C2S) desarrolla las resistencias mecánicas iniciales. El (C3A) y el (C4AF) no contribuyen a las resistencias mecánicas finales del cemento portland. El (C2S) contribuye muchísimo más que el (C3S) a las resistencias mecánicas totales del cemento Portland. Un cemento con un alto contenido en (C3S) alcanza las resistencias mecánicas a edades muy tempranas. El (C2F) es el causante de las resistencias mecánicas iniciales. El silicato tricálcico es el componente más energético del clinker de cemento Portland El silicato bicálcico es más energético que el silicato tricálcico. El silicato tricálcico es el componente de los silicatos del clinker más energético. El aluminato tricálcico es el componente más energético del clinker de portland. El ferrito aluminato tetracálcico es el componente más energético de los fundentes del clinker de cemento portland. El regulador de fraguado acelera la hidratación del (C3A). El regulador de fraguado aumenta la velocidad de fraguado del clinker El regulador de fraguado que utiliza la industria es yeso natural. La rápida hidratación del (C3S) obliga a la utilización de un regulador de fraguado. La existencia de una gran concentración de (C2S) puede evitar la utilización de regulador de fraguado en el cemento portland.


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