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Compuestos Químicos e Hidratación del Cemento Portland.


En la fabricación del clínker de cemento portland, durante la calcinación, el calcio combina con otros componentes de la mezcla cruda para formar cuatro compuestos principales que corresponden al 90% de la masa del cemento. Durante la molienda, se añaden yeso (4% hasta 6%) u otra fuente de sulfato de calcio y otros auxiliadores de molienda. Los químicos del cemento usan las siguientes abreviaturas químicas para describir los compuestos:

A= Al2O3, C = CaO, F = Fe2O3, H = H2O, M = MgO, S = SiO2 y Æ = SO3.

Se usa el término “fase” preferiblemente al término “compuesto” para describirse los componentes del clínker.

Siguen los cuatro compuestos principales en el cemento portland, sus fórmulas químicas aproximadas y abreviaturas:

Silicato tricálcico3CaO·SiO2 =C3S
Silicato dicálcico2CaO·SiO2 =C2S
Aluminato tricálcico3CaO·Al2O2 =C3A
Ferroaluminato4CaO·Al2O2·Al2O2 =C4AF tetracálcico

Siguen las formas de sulfato de calcio, sus fórmulas químicas y abreviaturas:

Sulfato de calcio anhidro (anhidrita)
CaSO4 = CaO·SO3 =  CÆ
Sulfato de calcio dihidratado (yeso)
CaSO4 ·2H2O·= CaO·SO3 ·2H2O  =  CÆ H2
Hemidrato de sulfato de calcio
CaSO4 · 1⁄2H2O·= CaO·SO3 · 1⁄2H2O  =  CÆ H1/2

El yeso, sulfato de calcio dihidratado, es la fuente de sulfato más empelada en el cemento.

El C3S y el C2S en el clínker se conocen como alita y belita, respectivamente. La alita constituye del 50% hasta 70% del clínker, mientras que la belita es responsable por sólo 15% hasta 30%. Los compuestos de aluminato constituyen aproximadamente del 5% hasta 10% del clínker y los compuestos de ferrita del 5% hasta 15% (Taylor 1997).

Estos y otros compuestos se los pueden observar y analizar a través del uso de técnicas microscópicas (consulte Fig. 2-25, ASTM C 1356 y Campbell 1999). La Tabla 2.9 trae algunas normas empleadas para el análisis químico.

En presencia de agua, estos compuestos se hidratan (se combinan químicamente con el agua) para formar nuevos compuestos, los cuales son la infraestructura de la pasta de cemento endurecida en el concreto (Fig. 2-26). Los silicatos de calcio, C3S y C2S, se hidratan para formar los compuestos de hidróxido de calcio y silicato de calcio hidratado (arcaicamente llamado de gel de tobermorita). El cemento portland hidratado contiene del 15% hasta 25% de hidróxido de calcio y aproximadamente 50% de silicato de calcio hidratado, en masa. La resistencia y otras propiedades del cemento hidratado se deben principalmente al silicato de calcio hidratado (Fig. 2-27). El C3Areacciona con el agua y el hidróxido de calcio para formar aluminato tetracálcico hidratado. El C4AF reacciona con el agua para formar ferroaluminato de calcio hidratado. El C3A, sulfato (yeso, cemento anhidro (cálculos de Bogue). Debido a las imprecisiones de los cálculos de Bogue, se pueden determinar los porcentajes de los compuestos de manera más precisa a través de las técnicas de difracción de rayos X (ASTM C 1365, IRAM 1714, NTP334.108). La Tabla 2.11 presenta la composición típica de los compuestos elementares así como la finura de cada uno de los principales tipos de cemento portland en los EE.UU.

Normalmente se describen los elementos como óxidos sencillos para la consistencia de las normas. Sin embargo, raramente se encuentran en el cemento en la forma de óxidos. Por ejemplo, el azufre del yeso normalmente se designa como SO3 (trióxido de azufre), sin embargo el cemento no contiene ningún trióxido de azufre. Las cantidades de calcio, sílice y alúmina establecen la cantidad de anhidrita u otra fuente de sulfato) y el agua combinan para formar etringita (trisulfoaluminato de calcio hidratado), monosulfato de calcio y otros compuestos afines. Estas transformaciones básicas de los compuestos se presentan en la Tabla 2.10. Brunauer (1957), Copeland y otros (1960),
Lea (1971), Powers y Brownyard (1947), Powers (1961) y Taylor (1997) presentaron la estructura de los poros y la química de las pastas de cemento. La Figura 2-28 muestra los volúmenes relativos estimados de los compuestos en las pastas hidratadas de cemento portland.

Un modelo computacional para la hidratación y el desarrollo de la microestructura, en la Web, se encuentra en NIST (2001) [http://vcctl.cbt.nist.gov].

El porcentaje aproximado de cada compuesto se puede calcular a través del análisis químico de los óxidos del los compuestos principales en el cemento y efectivamente las propiedades del cemento hidratado. El sulfato está presente para controlar el tiempo de fraguado, bien como la contracción por secado y el aumento de resistencia (Tang 1992). Batí (1995) y PCA(1992) discuten los elementos menores y su efecto en las propiedades del cemento. El conocimiento actual de la química del cemento indica que los compuestos principales del cemento tienen las siguientes propiedades:

Silicato Tricálcico, C3S, se hidrata y se endurece rápidamente y es responsable, en gran parte, por el inicio del fraguado y la resistencia temprana (Fig. 2-29). En general, la resistencia temprana del concreto de cemento portland es mayor, cuando el porcentaje de C3S aumenta.

Silicato Dicálcico, C2S, se hidrata y se endurece lentamente y contribuye grandemente para el aumento de resistencia en edades más allá de una semana.

Aluminato Tricálcico, C3A, libera una gran cantidad de calor durante los primeros días de hidratación y endurecimiento. También contribuye un poco para el desarrollo de las resistencias tempranas. Los cementos con bajos porcentajes de C3 Aresisten mejor a suelos y aguas con sulfatos.

Ferroaluminato Tetracálcico, C4AF, es el producto resultante del uso de las materias primas de hierro y aluminio para la reducción de la temperatura de clinkerización (clin-
querización o cocción) durante la fabricación del cemento.

Este compuesto contribuye muy poco para la resistencia.

La mayoría de los efectos de color para la producción del cemento gris se deben al C4AF y sus hidratos.

Sulfato de Calcio, como anhidrita (sulfato de calcio anhidro), yeso (sulfato de calcio dihidratado) o hemidrato, comúnmente llamado de yeso de parís (sulfato de calcio hemidrato), se adiciona al cemento durante la molienda final, ofreciendo sulfato para la reacción con el C3A y la formación de etringita (trisulfoaluminato de calcio). Esto controla la hidratación del C3A. Sin sulfato, el fraguado del cemento sería rápido. Además del control del fraguado y del desarrollo de resistencia, el sulfato también ayuda a controlar la retracción por secado y puede influenciar la resistencia hasta 28 días (Lerch 1946).

Además de los compuestos principales arriba, existen también numerosas otras formulaciones de compuestos (PCA1997, Taylor 1997, Tennis y Jennings 2000).

Fig. 2-25. (izquierda) El examen de secciones finas pulidas de clinker portland muestra la alita (C3S) como cristales angulares y claros. Los cristales más oscuros y arredondeados son la belita (C2S). Aumento 400X. (derecha) Micrografía del microscopio electrónico de barrido (SEM) de los cristales de alita en el clinker portland. Aumento 3000X 

Tabla 2-9. Normas para el Análisis Químico del
Clínker y del Cemento
* Las normas UNIT –NM son normas para el Uruguay y también
para el MERCOSUR.


Fig. 2-26. Micrografías electrónicas de (izquierda) silicato dicálcico hidratado, (medio) silicato tricálcico hidratado y (derecha)
cemento portland normal hidratado. Observe la naturaleza fibrosa de los productos hidratos de silicato de calcio.
Fragmentos rotos de cristalitas de hidróxido de calcio angular también están presentes (derecha). La unión de las fibras y
la adhesión de las partículas de hidratación son responsables por el desarrollo de la resistencia de las pasta de cemento
portland. Referencias (izquierda y el medio) Brunauer 1962 y (derecha) Copeland y Schulz 1962. (69110, 69112, 69099)


Fig. 2-27. Micrografías electrónicas de barrido de una pasta endurecida de cemento (izquierda) aumento 500X y (derecha)
aumento 1000X). (A7112, A7111)


Tabla 2-10. Reacciones de Hidratación de los Compuestos del Cemento Portland (Expresados en óxidos)
Nota: Esta tabla enseña sólo las transformaciones principales y no las varias transformaciones que ocurren. La composición del silicato de calcio
hidratado (C-S-H) no es estequiométrica (Tennis y Jennings 2000).


Fig. 2-28. Volúmenes relativos de los compuestos principales en la microestrutura de las pastas de cemento en proceso de
hidratación (izquierda) en función del tiempo (adaptado de Locher, Richartz y Sprung 1976) y (derecha) en función del grado
de hidratación, estimado por el modelo de computadora para la relación agua-cemento de 0.50 (adaptado de Tennis y
Jennings 2000). Los valores son para la composición media de un cemento tipo I (Gebhardt 1995): C3S = 55%, C2S=18%,
C3A= 10% y C4AF = 8%. “AFt y AFm” incluyen etringita (AFt) y monosulfoaluminato de calcio (AFm) y otros compuestos
hidratados de aluminato de calcio. Consulte la Tabla 2-5 para la transformación de los compuestos.
 


Tabla 2-11. Composición Química, Composición de los Compuestos y Finura de los Cementos de los EE.UU.
*Estos valores representan un resumen de estadísticas combinadas. Los cementos con aire incluido (incorporado) no están incluidos. Para una
homogeneización de la información, los elementos están expresos en la forma padrón de óxidos. Esto no significa que la forma de óxidos esté
presente en el cemento. Por ejemplo, el azufre se reporta como SO3, trióxido de azufre, pero el cemento portland no contiene trióxido de
azufre. La “composición potencial de los compuestos” se refiere a los cálculos de la ASTM C 150 (AASHTO M 85) usando la composición
química del cemento. La composición real de los compuestos puede ser menor, debido a reacciones químicas incompletas o alteradas.
**Incluyendo los cementos finamente molidos.
Adaptado de PCA(1996) y Gebhardt (1995).


Fig. 2-29. Reactividad relativa de los compuestos del
cemento. La curva llamada “total” tiene una composición del
55% de C3S, 18% de C2S, 10% de C3Ay 8% de C4AF, una com-
posición media del cemento tipo I (Tennis y Jennings 2000).

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