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Análisis Industriales, Mayo, 2016. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701
Análisis de cementos. Alexandra Ubaque Bedoya, Edgar Andrés Cardona Duque Escuela de Química, Química, Universidad Universidad Tecnológica de Pereira, Pereira, Pereira, Colombia Colombia
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I.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
1. Determinación gravimétrica de sílice (SiO 2) en una muestra de cemento. Los silicatos son compuestos formados por SiO 2 y óxidos metálicos. Ejemplos: Ejemplos: silicato bicálcico bicálcico 2CaO.SiO 2, silicato tricálcico 3CaO.SiO 2. Desde el punto de vista analítico, los silicatos se dividen en dos grupos:
Silicatos solubles: se descomponen cuando se tratan con HCl. Silicatos insolubles: no se descomponen cuando se tratan con HCl. En el caso de un silicato soluble, la muestra se trata con HCl y se evapora hasta sequedad para separar la sílice como SiO2.XH2O. El residuo se extrae con HCl diluido para disolver las sales de aluminio, hierro, metales alcalinos y alcalinotérreos, alcalinotérreos, entre otros.
Figura 1. Cemento Cemex. Para las determinaciones se utilizó una muestra de cemento marca marca Cemex Cemex portland portland tipo I es un cemento común, para usos generales, es el que más se emplea para fines estructurales cuando no se requieren de las propiedades especiales especificadas para los otros cuatro tipos de cemento. Los silicatos son compuestos que contienen sílice unida a óxidos de metales y se clasifican según la solubilidad en el ácido clorhídrico. Al solubilizarse dan cloruros de los compuestos más la precipitación de la sílice hidratada y de esta forma atraviesa el papel de filtro y se debe llevar a sequedad para deshidratarla. Los no solubles se debe fundir la muestra 950 °C junto con carbonato de sodio y potasio por media hora en crisol de platino, después al enfriar se solubilizan con el ácido clorhídrico diluido y se sigue el mismo procedimiento para con los solubles. Al cemento se le pueden hacer varios análisis para clasificarlo, en el laboratorio sólo se realizarán los siguientes: 1. 2.
Determinación gravimétrica de Determinación Determinación gravimétrica del R 2O3.
Fecha de Recepción: Marzo 11 de 2016
SiO 2.
Para una buena detección de la sílice se tiene que evaporar muy bien el ácido, posteriormente se le agrega 1ml de ácido y 30ml de agua y se remueve el analito del vaso de precipitado. Después se filtra con agua caliente con aproximadamente 250ml o hasta no tener presencia de cloruros y para esto tomábamos una pequeña muestra de las aguas de lavado y le agregábamos unas gotas de solución de Nitrato de Plata. Si presentaba coloración coloración blanca es que aun contenía cloruros. cloruros. Finalmente calcinamos los papeles filtro con la muestra tratada de cemento en los crisoles y lo dejamos en la mufla a 900°C por dos horas. Posteriormente los dejamos enfriar, pesamos y efectuamos efectuamos cálculos cálculos correspondientes.
%₂ =
42,1656 42,1656 − 42,0885 42,0885 0,4063
∗ 100% = 18,9761 18,9761% %
El rango del SiO 2 para este tipo de cemento se encuentra entre 17-25%. Esto nos indica que la calidad del cemento que analizamos esta en los estándares generales aceptados para su comercialización y que no contiene otros aditamentos que hagan que su calidad sea baja.
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2. Determinación gravimétrica del contenido de R 2O3 en una muestra de cemento. En este laboratorio llevamos a cabo la determinación gravimetría del R 2O3 en el cemento, para esta práctica usamos el líquido que se conservó en la determinación SiO2 en cemento para lograr la determinación de esta mezcla de óxidos, se agregó un pedazo de papel filtro desmenuzado para contribuir a la precipitación del SiO 2 sin intervenir en la reacción, seguido se agregó rojo de metilo y la solución torno de color rosa, colocando en ebullición agregando amoniaco hasta que torno de color amarillo, finalmente filtrando, calcinando el precipitado para tomar la medición de R 2O3, por medio de los correspondientes cálculos. %₂₃ =
49,2861 − 49,2253 0,4063
∗ 100% = 14,9643%
El porcentaje obtenido se encuentra dentro de los estándares establecidos.
II.
Suplementaria
PREGUNTAS
1. Escriba el nombre y la fórmula química de los constituyentes del cemento. Los constituyentes del cemento son: [1]
Carbonato de calcio (CaCO 3) Dióxido de silicio (SiO 2) Óxido de aluminio (III) (Al 2O3) Óxido de hierro (III) (Fe 2O3) Óxido de calcio (CaO) Óxido de magnesio (MgO) Dióxido de titanio (TiO 2) Óxido de sodio (Na2O) Óxido de potasio (K 2O) Óxido de azufre (SO) Trióxido de azufre (SO 3) Silicato cálcico hidratado (CSH) 3CaO-2SiO 23H2O Alita: silicato tricálcico (3CaO SiO 2) (C3S) Belita: silicato bicálcico (2CaO SiO 2) (C2S) Aluminato tricálcico (3CaO Al2O3) (C3A)
2. ¿Qué materias primas se utilizan en la fabricación del cemento?
Las materias primas para la fabricación del cemento se encuentran en las siguientes tablas: [2] Materias primas para la fabricación del clinker
Categoría Principal
Naturaleza Carbonatos
Materiales en uso Calizas, cretas, margas
Aditivos especiales
calcáreas, mármoles y calizas marmoleñas, arenas marinas calcáreas, conchas marinas, caliches, lodos de carbonato de calcio procedentes de las industrias de los fertilizantes, del azúcar y del papel. Arcillas, margas, esquistos, pizarras, materiales de recubrimiento (Suelos), Aluminosilicatos filitas, cenizas volantes, cenizas del carbón. Rocas wollastoníticas, escorias metalúrgicas, Silicatos de residuos calcio nefelínicos de la industria del aluminio. Silíceos: Arena, areniscas, cenizas volantes, tierra de diatomeas. Aluminosos: Bauxitas, china clay Materiales Ferruginosos: Cenizas de correctores tostación de la pirita, lateritas, polvo de tragante, limaduras o chatarra de hierro, lodos rojos. Ayudas de Trietanolamina, molienda propilenglicol, etc. Espesadores de Agentes que varían la papilla energía superficial Activadores Carbonato de sodio entre granulación otros CaF2, Na2SiF6, Ca5(PO4)3, Mineralizadores CaSO4.2H2O, etc
Materiales para convertir en Clinker en cemento Categoría Naturaleza Material en uso Regulador de Principal Yeso natural o químico fraguado Puzolanas naturales, escoria de horno alto, cenizas volantes, Adiciones humo de sílice, cenizas de Suplementario puzolánicas o cáscaras de arroz, rocas cementantes tratadas térmicamente: arcillas, esquistos, lateritas, etc Ayudas de Trietanolamina, molienda propilenglicol, etc. Aditivos Agentes especiales hidrofóbicos xido de hierro, óxido de Pigmentos cromo, azul de cobalto.
3. ¿Por qué un alto contenido de Mg es perjudicial para el cemento? En el comportamiento de la fase líquida durante el proceso de enfriamiento del clinker, la presencia del Magnesio influencia fuertemente las posibilidades de formación de vidrio o cristalización, lo cual influencia la molturabilidad del clínker formado y su reactividad en el momento de la hidratación del
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cemento. El Magnesio también juega un rol determinante en la coloración del clínker; debido a su intrusión en el C3A, determinando la coloración típica del clínker gris-negruzco. Cuando se presenta atmósfera reductora y el Fe 2O3 se reduce a FeO, se desplaza la intrusión del MgO en el C3A, lo cual produce un color marrón del Clinker y la alteración de la conversión del Clinker en cemento. Al llegar al enfriador se invierte esta tendencia en la parte superficial del Clinker, pero el color marrón puede permanecer en el interior de gránulos grandes. El Magnesio se encuentra hasta en un 2% combinado en las fases mineralógicas del Clinker; más allá de esta cifra aparece como MgO (periclasa) en el Clinker. La periclasa se transforma con el agua en Mg(OH)2; MgO + H2O = Mg(OH) 2, pero la reacción transcurre muy lentamente, cuando las restantes reacciones de endurecimiento ya han concluido. Como el Mg(OH) 2 adquiere mayor volumen que el MgO, en el punto en el que se encuentra el gránulo de periclasa, puede hacer saltar la roca de cemento y originar grietas, proceso que se denomina expansión por magnesio. El tamaño máximo de periclasa que influye en la estabilidad del volumen del cemento es de unas 5-8 micras. Por enfriamiento lento estos cristales pueden llegar a tener 60 micras. Se ha comprobado que el cemento con un contenido de 4% de periclasa con tamaño de hasta 5 micras produce en la autoclave igual expansión que un contenido de cristales de periclasa que tenían entre 30-60 micras. El enfriamiento rápido del Clinker permite un mayor contenido de MgO, mientras que para enfriamiento lento el MgO debe permanecer en valores bajos. Las normas para cementos limitan el contenido de Mg hasta un máximo de 5%. [3]
anhídrido sulfúrico; de igual manera, puede acelerarse el fraguado con la adición de sustancias alcalinas o sales como el cloruro de calcio. [4]
5. ¿Por qué se lleva a sequedad la muestra analizada antes de filtrarla? Desde el punto de vista analítico, los silicatos se dividen en dos grupos:
Silicatos solubles: se descomponen cuando se tratan con HCl. Silicatos insolubles: no se descomponen cuando se tratan con HCl. En el caso de un silicato soluble, la muestra se trata con HCl y se evapora hasta sequedad para separar la sílice como SiO2.XH2O. El residuo se extrae con HCl diluido para disolver las sales de aluminio, hierro, metales alcalinos y alcalinotérreos, entre otros. [5]
6. ¿Qué compuesto queda en el papel filtro? El compuesto que queda en el papel filtro es el silicato que contiene la muestra de cemento.
7. ¿Qué compuesto es el que se pesa? El compuesto que se pesa es el óxido de silicio (SiO2).
8. ¿Qué sucede durante la calcinación?
4. ¿Qué sustancia debe tener un cemento para que fragüe con rapidez?
La calcinación es un proceso químico que tiene lugar mediante calentamiento a altas temperaturas y cuya finalidad es la eliminación de los componentes volátiles presentes en una sustancia sólida.
Dentro del proceso general de endurecimiento se presenta un estado en que la mezcla pierde apreciablemente su plasticidad y se vuelve difícil de manejar; tal estado corresponde al fraguado inicial de la mezcla. A medida que se produce el endurecimiento normal de la mezcla, se presenta un nuevo estado en el cual la consistencia ha alcanzado un valor muy apreciable; este estado se denomina fraguado final. El tiempo de fraguado inicial es el mismo para la mayoría de los cementos y alcanza un valor de 45 a 60 minutos, el tiempo de fraguado final se estima en 10 horas aproximadamente.
Los objetivos de la calcinación son los siguientes: Eliminar el dióxido de carbono. Eliminar el agua presente como humedad absorbida. Los óxidos se reducen después de la fundición Descomposición de minerales de carbonato Tratamiento térmico para efectuar transformaciones de fase. Eliminación de los iones de amonio. Descomposición de materia volátil.
Cuando se presentan problemas especiales que demandan un tiempo adicional para el transporte del concreto de la fábrica a la obra, se recurre al uso de “retardantes” del fraguado, compuestos de yeso o de
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9. ¿Cómo afectaría el resultado del análisis un lavado deficiente del residuo? Los lavados de la muestra se realizan para eliminar los cloruros formados con la adición de ácido
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clorhídrico. Estos cloruros al igual que el óxido de silicio (SiO 2) quedarían presentes en la muestra después del proceso de calcinación debido a sus altos puntos de fusión, por lo tanto, el dato arrojado del contenido de óxido de silicio sería erróneo, sobrepasando el valor normal.
de sulfato de calcio hidratado; también, una roca sedimentaria de origen químico. Son minerales muy comunes y pueden formar rocas sedimentarias monominerales.
10. ¿Qué son papeles filtro sin ceniza? Los papeles filtro sin cenizas son papeles fabricados con fibras de celulosa que se han manipulado para eliminar especies inorgánicas, así que no permanecen residuos (cenizas) cuando se calcinan.
11. Si es posible fabricar cemente en el laboratorio, describa el método. No, no es posible fabricar cemento en el laboratorio debido a que no se puede contar con todos los materiales para su elaboración, no se cuenta con el equipo para el proceso de calcinación que requiere temperaturas hasta de 1400°C. Pero si es posible llevar a cabo los análisis respectivos para determinar la calidad de este.
12. Defina los términos arcilla, caliza, yeso, arena y baucita.
Arcilla: es un suelo o roca sedimentaria constituido por agregados de silicatos de aluminio hidratados, procedentes de la descomposición de rocas que contienen feldespato, como el granito. Presenta diversas coloraciones según las impurezas que contiene, desde el rojo anaranjado hasta el blanco cuando es pura. Físicamente se considera un coloide, de partículas extremadamente pequeñas y superficie lisa. El diámetro de las partículas de la arcilla es inferior a 0,002 mm. En la fracción textural arcilla puede haber partículas no minerales, los fitolitos. Químicamente es un silicato hidratado de alúmina, cuya fórmula es: Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O.
Caliza: roca sedimentaria compuesta, en forma predominante, por minerales de carbonato, principalmente carbonatos de calcio y de magnesio. Los minerales más importantes de las calizas son la calcita y la aragonita, y, en las calizas dolomíticas, la dolomita. Las calizas son las más abundantes de las rocas no clásticas. Constituyen definitivamente la mayor existencia del elemento carbono en la superficie terrestre, o cerca de ella. Yeso: el yeso, piedra de yeso, yeso crudo, yeso natural o aljez,1 es un mineral compuesto
Arena: la arena es un elemento granular que se encuentra en la naturaleza. Está compuesta de partículas muy finas de rocas y minerales. En geología, se considera arena a cualquier partícula mineral con un diámetro de 0,06 a 2 milímetros, que es llamada individualmente cono grano de arena. Las siguientes partículas de menor tamaño se llaman limos y las siguientes de mayor tamaño, grava. La arena está formada principalmente por silicatos que son producto de la combinación de varios elementos metálicos con los elementos más comunes de la corteza terrestre: el oxígeno y el silicio.
Bauxita: es una roca sedimentaria de origen químico compuesta mayoritariamente por alúmina (Al2O3) y, en menor medida, óxido de hierro y sílice. Es la principal mena del aluminio utilizada por la industria. Se origina como residuo producido por la meteorización de las rocas ígneas en condiciones geomorfológicas y climáticas favorables. Es uno de los elementos más abundantes de la corteza terrestre de la cual forma más de 7%.
13. ¿Cómo se solubiliza un silicato insoluble? La mayor parte de los silicatos son insolubles en ácidos y para solubilizarles es necesaria una disgregación con fundentes tales como Na 2CO3, K 2CO3, KHSO4, KNO3, etc.
14. ¿Para qué se agrega el papel filtro desmenuzado? El papel filtro desmenuzado se adiciona a la solución para que le hierro se incorpore a él, además este ayuda a la formación del precipitado de SiO 2 sin influir en la reacción.
15. ¿Para qué se agrega el rojo de metilo? El rojo de metilo se adiciona en la solución para el análisis volumétrico de la caliza, principalmente para la determinación de CO 2.
16. ¿Para qué se agrega cloruro de amonio? La adición del cloruro de amonio es de vital importancia ya que esta se realiza para la separación de: Fe(OH)3, Al(OH)3 y los iones Ca 2+, Mg2+ y Mn2+.
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17. ¿Por qué se calienta la solución? La solución es calentada para que la precipitación de los iones de Fe se lleve de manera rápida al momento de adicionar el cloruro de amonio.
CaO·SiO2+CaO ----> 2CaO·SiO 2 2CaO + SiO2 ----> 2CaO · SiO 2 CaO · Al2O3 + 2CaO ---> 3CaO · Al2O3 CaO · Al2O3 + 3CaO + Fe 2O2 ----> 4CaO · Al2O3 ·Fe2O2
18. ¿Por qué se controlan los cloruros?
Los cloruros deben ser controlados para que la presencia de estos no influya en la determinación de otros iones como lo son: Ca2+, Mg2´+, Mn2+ y también de los hidróxidos de hierro y aluminio.
19. ¿Qué es Clinkerización y cuáles son las reacciones? La Clinkerización es una etapa de la fabricación del cemento que consiste en lo siguiente: Los hornos tienen un sistema de precalentamiento donde los gases calientes de la combustión van preparando la harina para su cocción hasta que alcanza la temperatura de clinkerización de 1450 oC donde se producen las reacciones que transforman los minerales en el clinker de cemento. Finalmente el clinker pasa por un sistema de parrillas de enfriamiento. Las principales reacciones químicas que intervienen en el proceso de producción de clinker dan lugar a la formación de minerales sintéticos diferentes: FASES de silicatos, aluminatos y ferritos de calcio que le darán las propiedades hidráulicas al cemento. Las reacciones principales que se producen durante la etapa de clinkerización son: [6]
Secado: eliminación del agua libre. Temperatura < 200 ºC. Eliminación del agua adsorbida. Temperatura 100 – 400 ºC. Descomposición de la arcilla con formación de metacaolinita. Temperatura: 400 – 750 º C. Transformacin qumica:
Al4(OH)8Si4O10 ---> 2(Al2O3 · 2SiO2) + 4 H 2O
Descomposicin de la metacaolinita y otros compuestos con formacin de una mezcla de xidos reactivos. Temperatura: 600 – 900 ºC.
Al2 O3 · 2SiO2 ---> Al2O3 + 2SiO2
Descomposicin de la caliza con formacin de
CS y CA. Temperatura: 600-1000ºC. CaCO3 ----> CaO + CO 2 3CaO+2SiO 2+Al2O3 --->2(CaO·SiO2)+CaO·Al2O3
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Fijacin de cal por CS y CA con formacin de C4AF. Temperatura: 800 – 1300 ºC.
Nueva fijación de cal por C2S. Transformación química 2CaO + SiO 2 + CaO ---> 3CaO · SiO 2
20. ¿Por qué pega el cemento? El cemento pega porque cuando se adiciona agua a este, se forman unos cristales puntiagudos que se entrecruzan entre ellos formando así una red que agarra la superficie en la que se deposite este.
RECOMENDACIONES
Como observación a la práctica al momento de agregarle el ácido y ponerlo en la plancha de calentamiento se debe hacer en una cabina de extracción y manejarlo cuidadosamente ya que desprende vapores. Se debe hacer un lavado hasta la eliminación total de los cloruros, ya que pueden
CONCLUSIONES
Según los resultados obtenidos en las determinaciones, el cemento se encuentra dentro de los límites establecidos, por lo que se concluye que es de buena calidad.
REFERENCIAS [1]. Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones (IECA). “Componentes y propiedades del cemento”:
https://www.ieca.es/gloCementos.asp?id_rep=179 [2]. http://webcache.googleusercontent.com/search?q=ca che:http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion9.CE MENTOS.MateriasPrimas.pdf [3]. “Magnesio, el Quinto elemento ¿amigo o enemigo?”: http://www.combustionindustrial.com/wpcontent/uploads/2015/06/Magnesio_amigo_o_enemi go.pdf [4]. “Fraguado del concreto”: http://www.arqhys.com/construccion/concretofraguado.html
Análisis Industriales, Marzo, 2016. Universidad Tecnológica de Pereira.
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[5]. Jose P. C. “Gravimetría de volatilización”. 10 de Junio de 2015. [6]. Grupos C. Materiales, “Cemento y Hormigón. ¿Qué es el clinker? Fases del clinker ”. Noviembre 4 de
2012. -Taylor, F. W. La Química de los Cementos. Vol. II. Ediciones Urmo: Bilbao, España, 1978. pp. 1-15. -A.S.T.M. Análisis del Cemento. Annual Book of ASTM Standards. Part 9: Philadelphia, 1971. -Bogue, R. H. La Química del Cemento Portland. Ediciones Dossat: Madrid, 1952. -Austin, G. Manual de Procesos Químicos en la Industria. Tomo I. Quinta Edición. McGraw-Hill: México, 1989. pp. 201-211. -García Arenas, J. Química Analítica Cuantitativa. Ediciones UIS, Bucaramanga, 1964
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