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INGENIERIA CIVIL Composición Química del Clinker
COMPONENTES DEL CLINKER I.
DEFINICON DEL CLINKER:
El Clinker de cemento portland es un material hidráulico que se obtiene por sintetización de una mezcla especificada con precisión de materias primas (crudo, pasta o harina). El Clinker Portland se forma tras calcinar caliza calcinar caliza y arcilla a una temperatura que está entre 1350 y 1450 °C. El Clinker es el producto del horno que se muele para fabricar el cemento Portland. El promedio del diámetro de las partículas de un cemento típico es aproximadamente 15 micrómetros. Hay 4 compuestos principales en el cemento Portland que totalizan el 90 % o más del peso del cemento Portland. Especificaciones:
(CaO)/(SiO2) >= 2,0 MgO <= 5,0% 3CaO.SiO2 + 2CaO.SiO2 >= 2/3
El Clinker está compuesto por:
Silicato tricálcico : de 40 a 60% Silicato bicálcico : de 20 a 30% Aluminato tricálcico: de 7 a 14% Ferrito aluminato tetracálcico: de 5 a 12%. El aluminato tricálcico reacciona con el agua de inmediato, por eso, al hacer cemento, hacer cemento, éste fragua rapidamente. Para impedirlo se le agrega yeso; éste reacciona con el aluminato produciendo etringita o Sal de Candlot(sustancia dañina para el cemento). Por lo general el curado se efectúa dentro de d e los 28 días, aunque su resistencia sigue en aumento después de ese tiempo.
pág. 1
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Propiedades como Aglomerante Hidráulico El Clinker portland es un aglomerante hidráulico, por ello : a. Necesita de agua para su proceso de fraguado. b. El agua de amasado no se evapora sino que pasa a formar parte de él una vez endurecido. c. Aunque esté sumergido en agua, completa su proceso de fraguado. II.
COMPONENTES DEL CLINKER:
1. OXIDO DE SILICIO O SILICE SiO 2 El óxido de silicio o dióxido de silicio (SiO2) es un compuesto de silicio y oxígeno, llamado comúnmente sílice. Es uno de los componentes de la arena. En la naturaleza se da de forma natural como cuarzo. Este compuesto ordenado espacialmente en una red tridimensional (cristalizado) forma el cuarzo y todas sus variedades. Si se encuentra en estado de amorfo constituye el ópalo y suele incluir un porcentaje elevado de agua.
A) Silicato tricalcico. Es el componente principal del clinker, confiriendo altas resistencias iniciales al cemento y después presente un elevecion de las mismas muy lenta. Proporcion: 45%-70%.
B) Silicato bicalcico. Da pocas resistencias en los primeros días, pero luego las va desarrollando
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Usos El óxido de silicio (IV) se usa, entre otras cosas, para hacer vidrio, hacer vidrio, cerámicas y cemento. El gel de sílice es un desecante, es decir que quita la humedad del lugar en que se encuentra. Se encuentra muy generalmente en paquetes nuevos de aparatos ópticos, electrónicos, etc.
Uso cerámico. Es un formador de vidrio. Se incorpora al vidriado como cuarzo molido. Forma parte de los feldespatos, arcillas, como fuente soluble en forma de silicato de sodio, se encuentra en todas las fritas así como en las cenizas en especial la de arroz o cañas. En los vidriados aumenta el punto de fusión y la viscosidad. Influye poco en los colores, excepto en los rojos de cromo y níquel. Aumenta la opacidad en vidriados ricos en zinc y bórax. Aumenta la resistencia a los ácidos.
Fases del sílice “El óxido de silicio (SiO2), presenta un número elevado de polimorfos, como el cuarzo (cuarzo-α, cuarzo -β), coesita,cristobalita, coesita,cristobalita, tridimita, etc. Esto es debido a
que la estructura de un compuesto no es sólo función de la composición química del mismo, sino que también lo es de las condiciones físico-químicas de formación (esencialmente presión y temperatura). Así, el cuarzo pasa de cuarzo- α a cuarzo -β cuando se superan unos 573 ºC a 1 atmósfera de presión. Esta transformación polimórfica por desplazamiento involucra únicamente la rotación de los átomos; por lo que es muy rápida e implica un elevado cambio volumétrico. Estos cambios en densidad asociados a otras transformaciones, inducen esfuerzos que se acumulan en los moldes, o las piezas de cerámica. Por esta razón, el calentamiento entre 500 y 600ºC, se efectuará a una velocidad lenta, 0,98ºC/min, procedimiento que evita la probable fractura del molde. A 870ºC la sílice sufre una nueva transformación polimórfica de cuarzo a tridimita, sin embargo requiere de
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en este intervalo de temperaturas no es obligatorio tomarlas en consideración durante la cocción.
Toxicidad No es tóxico, salvo la inhalación del polvo en grandes cantidades al respirar
2. OXIDO DE ALUMINIO O ALUMINA AL 2O3 La alúmina es el óxido de aluminio (Al2O3). Junto con la sílice, es el componente más importante en la constitución de las arcillas y losesmaltes, losesmaltes, confiriéndoles resistencia y aumentando su temperatura de maduración. El óxido de aluminio existe en la naturaleza en forma de corindón y de esmeril. Tiene la particularidad de ser más duro que el aluminio y el punto de fusión de la alúmina son 2072 °C (2345,15 K) frente a los 660 °C (933,15 K) del aluminio, por lo que su soldadura debe hacerse a corriente alterna. La alúmina se halla combinada en la arcilla ( 2SiO2 Al2O3. 2H2O ) y la eliminación de la sílice da origen a la formación de dos óxidos hidratados, el diásporo ( Al2O3. H2O ), y la hidrargirita ó gibsita ( Al2O3.3H2O ), siendo la bauxita una mezcla de ambas en diferente proporción. La alúmina obtenida por precipitación forma con el agua, un gel cristalizando con el tiempo en forma de hidrargirita.La alúmina no se forma al fraguar el cemento Portland, pero sí en el del cemento Aluminoso.
PROPIEDADES Densidad: 3,96-4,05 g/cm³. Dureza Vickers: 1500-1650 kgf mm².
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PROCESO DE PRODUCCIÓN La industria emplea el proceso Bayer para producir alúmina a partir de la bauxita. La alúmina es vital para la producción de aluminio (se requieren aproximadamente dos toneladas de alúmina para producir nueve tonelada de aluminio). Artículo principal: Proceso Bayer. En el proceso Bayer, la bauxita es lavada, pulverizada y disuelta en soda cáustica (hidróxido de sodio) a alta presión y temperatura; el líquido resultante contiene una solución de aluminato de sodio y residuos de d e bauxita que contienen hierro, silicio, y titanio. Estos residuos se van depositando gradualmente en el fondo del tanque y luego son eliminados. Se los conoce comúnmente como "barro rojo". La solución de aluminato de sodio clarificada es bombeada dentro de un enorme tanque llamado precipitador. Se añaden finas partículas de alúmina con el fin de inducir la precipitación de partículas de alúmina puras (proceso de siembra), una vez que el líquido se enfría. Las partículas se depositan en el fondo del tanque, se extraen y luego se someten a 1100 °C (1373,15 K) en un horno o calcinador, a fin de eliminar el agua que contienen, producto de la cristalización. El resultado es un polvo blanco, alúmina pura. La sosa cáustica es devuelta al comienzo del proceso y usada nuevamente.
APLICACIONES La industria del aluminio primario utiliza la alúmina fundamentalmente como materia prima básica para la producción del aluminio. Además, la alúmina se utiliza por sus propias cualidades como material cerámico de altas prestaciones en aplicaciones donde se necesite emplear una aislante eléctrico, en condiciones de altas temperaturas o buenas propiedades tribológicas, como en: Aislante térmico y eléctrico para la parte superior de las cubas electrolíticas. Revestimiento de protección para evitar la oxidación de los ánodos de carbono. Absorción de las emisiones provenientes de las cubas. También es utilizada para el secado del aire comprimido ya que tiene la propiedad
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En el área sanitaria de las prótesis pr ótesis dentales, se utiliza como base de la estructura e structura de coronas y puentes proporcionando gran dureza y resistencia, con bajo peso y estéticamente da buenos resultados gracias a su color blanco. En molinos de bolas empleados para preparar esmaltes u otros materiales cerámicos como bolas de molienda. En la fabricación de Termita mezclado al 50% con óxido ferroso. Como aislante eléctrico en la bujías de los vehículos de gasolina. Como abrasivo en muchos procesos industriales de acabado, púlido, mecanizado por ultrasonidos. Su regeneración (para el caso de la adsorción/desorción) es con aire seco y caliente y tiene una temperatura de punto de rocío de -40 °C (233,15 K). También protege a los elementos de aluminio de la oxidación, a pesar de que el aluminio es uno de los metales que se oxidan o xidan más fácilmente. Esto es porque en la superfície del material se forma una capa de alúmina que protege el interior de la pieza. Ésta capa no se desprenderà ni se cuarteará porque el aluminio presenta un índice de Pilling-Bedworth ligeramente superior a 1 (de 1,28)
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3. OXIDO DE HIERRO El óxido de hierro (III) (también conocido como óxido férrico o trióxido de dihierro) es uno de los óxidos de hierro, cuya fórmula es Fe2O3. En este compuesto, el número de oxidación del hierro es +3. Este es el óxido de hierro "común" que aparece en el metal tras su exposición al aire durante tiempo. Tiene varias formas estructurales: α-estructura del corindón. γ- estructura tipo espinela.
No posee brillo metálico. No conduce la electricidad debido a la localización electrónica que existe en el centro metálico. Se impide la formación de bandas de conducción. Puede darse semiconducción si se dan fenómenos de no estequiometria. La variedad de colores del de l óxido de hierro (III) (azul, verde y violeta) que simula el atardecer, se debe principalmente a la habilidad del hierro de cambiar sus electrones en el penúltimo nivel de energía con modificación en el spin. De esto se intuye, que el camuflaje de los camaleones se debe a la inclusión de este elemento sobre su piel.
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INFLUENCIA EN EL CEMENTO El óxido de hierro en la la formación del Clinker actúa como fundente. Otra función importante en el cemento propiamente dicho es como pigmento, pigmento, para un buen producto debe haber una mezcla muy homogénea entre el cemento y el oxido de hierro, para evitar problemas como levantamientos de la pasta luego de aplicada.
4. CAL VIVA U OXIDO DE CALCIO: (CaO) La cal es un término que designa todas las formas físicas en las que pueden aparecer el óxido de calcio (CaO) y el óxido de calcio de magnesio (CaMgO2), denominados también, cal viva (o generalmente cal) y dolomía calcinada respectivamente. Estos productos se obtienen como resultado de la calcinación de las rocas (calizas o dolomías). Adicionalmente, existe la posibilidad de añadir agua a la cal viva y a la dolomía calcinada obteniendo productos hidratados denominados comúnmente cal apagada ó hidróxido de calcio (Ca (OH)2) y dolomía hidratada (CaMg (OH) 4). Otras denominaciones de la cal viva son las siguientes: s iguientes: Cal, Cal aérea, Cal de construcción, Cal química, Cal de albañilería y Cal fundente.
La cal se ha usado, desde la más remota antigüedad, de conglomerante en la construcción; también para pintar (encalar) muros y fachadas de los edificios construidos con adobes o tapial (habitual en
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PROCESO DE FABRICACIÓN La cal viva se obtiene por calcinación de la caliza, con un alto contenido en carbonato de calcio (CaCO3), a una temperatura de unos 900 ºC según la siguiente reacción: CaCO3 + calor → CaO + CO 2 La calcinación, de manera industrial, tiene lugar en hornos verticales u horizontales rotativos. De manera artesanal puede ser en un horno tradicional, romano o árabe. INFLUENCIA EN EL CEMENTO Como se sabe la cal viva, en el Clinker se encuentra en un gran porcentaje. La propiedad principal de la cal viva es que cuando le agregamos agua se forma la cal apagada la cual tiene tiene una consistencia muy dura. Es por ello que el cemento cuando le agregamos agua forma una masa de alta resistencia.
5. SO3: OXIDO DE AZUFRE (V) O TRIOXIDO DE AZUFRE Es en condiciones normales un sólido incoloro de textura fibrosa, pero en condiciones estándar (a 25ºC y 1 atm) es un gas, un contaminante importante, siendo el principal agente de la lluvia ácida. Es el producto de la oxidación del óxido de azufre (IV) con oxígeno en presencia
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REACCIONES QUÍMICAS En presencia de agua reacciona violentamente dando lugar a la formación de ácido sulfúrico, haciendo que sea altamente corrosivo. El SO3 es el anhídrido ácido del H2SO4, de manera que se produce la siguiente reacción: SO3 (l) + H2O (l) → H2SO4 (l) (+88 kJ mol−1)
La reacción es rápida y exotérmica. Alrededor de 340ºC, el ácido sulfúrico, el óxido de azufre (VI) y el agua coexisten en concentraciones significativas de equilibrio. El óxido de azufre (IV) también reacciona con cloruro de azufre (II) para producir cloruro de tionilo. SO3 + SCl2 → SOCl2 + SO2
El óxido de azufre (IV) puede ser preparado en laboratorio por pirólisis en dos etapas a partir de hidrogenosulfato de sodio Deshidratación 2NaHSO4 → Na2S2O7 + H2O a 315°C2) Cracking Na2S2O7 → Na2SO4 + SO3 a 460°C
Este método funcionar para otros hidrogenosulfatos metálicos, siendo el factor controlante la estabilidad de la sal intermedia del pirosulfato Industrialmente, el óxido de azufre (IV) se obtiene por proceso de contacto. El óxido de azufre (IV), obtenido generalmente quemando azufre o pirita, primero es
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ESTRUCTURA DEL SO3 (SÓLIDO) La naturaleza del sólido SO3, es una sorprendente área compleja porque su estructura cambia debido a trazas de agua.[1] En la condensación del gas absolutamente puro, el óxido de azufre (IV) condensa en un trímero llamado γ -SO3. Esta forma molecular es un sólido sin color con un punto de fusión de 16.8ºC y adopta una estructura cíclica descrita como [S (=O)2(μ-O)]3. Si el óxido d e azufre (IV) condensa alrededor de 27ºC, se produce α -SO3 de apariencia fibrosa, parecida a los asbestos (con los que no guarda relación química). Estructuralmente es el polímero [S (=O)2(μ -O)] n. La cadena termina por ambos extremos con grupos OH (de ahí que el α -SO3 no es realmente una forma del SO3). β -SO3, al igual que la forma alfa, es de aspecto fibroso pero tiene distinto peso molecular, consistente en un polímero hidroxilo que funde a 32.5ºC. Las formas gamma y beta son metaestables, que finalmente pasan a la forma estable alfa si se deja el suficiente tiempo. Esta conversión esta causada por trazas de agua. Las presiones relativas del óxido de azufre (IV) sólido son alpha < beta < gamma, tal y como indica su peso molecular relativo. La forma líquida del óxido de azufre (IV) coincide con la forma gamma. De modo que, calentandoun cristal de α -SO3 hasta su punto de fusión, causa un aumento repentino de la presión de vapor, que puede ser tan potente como para hacer añicos el recipiente de cristal en el cual ha sido calentado. Este efecto se conoce como la “explosión alfa”
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Además de los sulfatos alcalinos, que son los que se forman preferencialmente a partir del SO3 disponible, y de los otros sulfatos mencionados, se conocen otros compuestos en los que interviene el sulfato y que aparecen cuando hay un exceso de él, que son (El exceso de sulfatos de integra en las estructuras de los silicatos y aluminatos). El contenido en anhídrido sulfúrico decide la calidad del cemento Pórtland por varios motivos: cuando su valor en porcentaje está fuera de un estrecho margen (entre 2 y 4 %) afecta el tiempo de fraguado. Cuando es menor, el fraguado puede ser muy rápido, como consecuencia del escaso afecto retardador. Cuando su valor es de 6 a 10% inhibe el fraguado, no existiendo ni afecto expansivo se produce cuando el contenido en SO3 excede del 4 al 4.5%, según la finura del cemento.
6. Mn2O3: OXIDO DE MANGANESO (III) Ó TRIOXIDO DE MANGNESO Se forma por la reacción redox en una pila
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Mn2O3 a diferencia de muchos otros óxidos de metales de transición que no adoptan el corindón (Al2O3) en su estructura. Dos formas son generalmente reconocidos, α -Mn2O3 y γ -Mn2O3, aunque una forma de alta presión con la estructura CaIrO3 se ha informado también. α-Mn2O3 tiene la estructura bixbyite cúbico, que es un ejemplo de un sesquióxido de tierra rara de tipo C. La estructura bixbyite se ha encontrado para ser estabilizado por la presencia de pequeñas cantidades de Fe3, Mn2O3 puro tiene una estructura ortorrómbica γ -Mn2O3 tiene una estructura relacionada con la estructura de espinela de Mn3O4 donde los iones de óxido son cúbico embalado. Esto es similar a la relación entre γ -Fe2O3 y Fe3O4. γ -Mn2O3 es ferrimagnético con una temperatura de 39 K-
El Mn2O3 COMO COMPONENTE MINORITARIO DEL CLINKER El contenido de oxido de manganeso (Mn2O3) no tiene significación especial en las propiedades del cemento, salvo en su coloración, que tiende a ser marrón si se tienen contenidos mayores del 3%. Se ha observado que en casos donde los
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La expansión provoca deterioración a la pasta de cemento en su imagen externa y probables daños internos, donde posteriormente se verán afectados y comprometidos los elementos estructurales debido al desarrollo de presiones internas como resultado de la reacción química, el cual podría producir propagación de microfisuras. Por esta razón, se piensa que el hinchamiento de partículas de agregados de alta resistencia, son más peligrosos y destructivos al concreto pero los feldespatos, piroxenos, anfíboles micas y cuarzo el cual son componentes minerales del granito, gneiss, esquistos, areniscas y basaltos son clasificados como inocuos (que no hacen daño). El tamaño de las partículas silíceas controlan la velocidad de reacción y partículas entre 20 x 10 6m y 30 x 10 6m permite la expansión en uno o dos meses y más aún después de un año. La reactividad de los agregados se ve afectado por el tamaño y porosidad de las partículas éstas influyen en el área sobre el cual la reacción puede tomar lugar. Se han reconocido cuatro formas de reacción álcali-agregado. Ellas son:
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Para que la reacción álcali-sílice se produzca, se requiera necesariamente tres condiciones: 1. Presencia de álcalis en la pasta del cemento. 2. Presencia de agregados reactivos en el concreto. 3. Agua. Si alguno de estas tres condiciones está ausente en la reacción, ésta no ocurrirá. La reacción álcali- sílice es la más común e importante de las reacciones álcali agregado. Algunas veces, pero no siempre, el gel álcali-sílice, á lcali-sílice, de color blanco, puede p uede ser visto saliendo de las grietas y fisuras en el concreto, pero en épocas secas tan solo se presentan como polvo blanco. b) REACCIÓN ALCALI-SILICATO:
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Esta reacción provoca que la roca genere poros, permitiendo que el agua entre y cause el hinchamiento de la arcilla y posterior la ruptura del agregado. Por lo general esta reacción ocurre con piedras limosas de calicita, propias de las dolomitas y no en las calizas. d) OTRAS REACCIONES ALCALI-AGREGADOS: Ya que el álcali de hidróxido de sodio y potasio son reactivos, existen otras reacciones en los agregados.
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8. OXIDO DE TITANIO EN EL CLINKER. El óxido de titanio (TiO2) presente en pequeñas cantidades (0.1-0.4 %) en el cemento deriva generalmente del componente arcilloso (Arcillas o esquistos). Su contenido es mayor (1.5-2% ) en los cementos aluminosos donde proviene de la bauxita. Análisis de clinkeres han mostrado que el TiO2 está presente en solución sólida en las cuatro fases mayoritarias del cemento portland sustituyendo al Si0 2
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Oxido de titanio (III)
Nombre IUPAC [hide]
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(se descompone) Solubilidad
en
agua
insoluble
Peligros Clasificación de la UE (verificar)
(lo
no enumerado que
es:
/
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Consecuencia, particularmente , de la disminución de las resistencias iniciales, debido a una velocidad de endurecimiento más lenta. Esto se debe a que el P2O5 favorece la descomposición del C3S para formar una serie de soluciones sólidas entre el C2S y el 3CaO.P2O5 y exceso de CaO libre (Esta última es perjudicial). Por tanto, los fosfatos estabilizan el C2S de alta temperatura durante la clinkerización e inhiben la formación del C3S. NURSE ha encontrado que por cada 1 % de P2O5 el contenido de C3S baja, aproximadamente, un 10 % y el de C2S
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un enfriamiento rápido podrían ser ventajosos cuando los fosfatos están
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PENTOXIDO DE FOSFORO (P2O5)
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El compuesto químico óxido de fósforo (V), pentóxido de difósforo, pentaóxido de
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