ARCILLAS. Las arcillas se caracterizan por varios factores:

Transcripción

1 CEMENTO

2 INTRODUCCIÓN El cemento y el concreto son considerados como materiales cerámicos, ya que surgen de la combinación de compuestos inorgánicos, principalmente arcillas y calizas que se encuentran formando parte de la naturaleza. El Cemento Portland es un producto comercial de fácil adquisición, el cual cuando se mezcla con agua, ya sea solo o en combinación con arena tienen la propiedad de combinarse lentamente con ella hasta formar una masa endurecida. El primer uso se limitó a morteros para albañilería, posteriormente, al generalizarse el uso del concreto reforzado, el cemento llegó a ser rápidamente uno de los principales productos manufacturados del comercio. Por este motivo es importante conocer las características de estos materiales cerámicos para saber como se ven afectadas sus propiedades cuando interaccionan con otro tipo de materiales y con el medio ambiente que se encuentren expuestos, para lo cual se tiene un tipo de cemento para cada aplicación.

3 ARCILLAS Las arcillas se caracterizan por varios factores: Tamaño de partícula: es en general inferior a una micra (0,001 mm), con gran superficie específica que favorece la plasticidad. Tipos de arcillas: Arcillas blancas de calcinación Arcillas refractarias Arcillas para productos cerámicos pesados Arcillas para gres Arcillas para ladrillos Arcillas fácilmente fusibles

4 Sustancias presentes en la naturaleza junto con la arcilla: CaSO 2H 0 (piedra de yeso) CaSO 4 2H 2 0 (piedra de yeso) CaC0 3 (carbonato cálcico) Fe(OH) 3 (hidróxido férrico) Fe (óxido férrico) SiO 2 (cuarzo)

5 CALIZAS Son rocas formadas por carbonato de calcio (CaCO 3 ) que pueden tener: Origen químico: se forman por precipitación de disoluciones carbonatadas, ejemplos: Pisolita: roca de aspecto granulado formada en manantiales calientes que contienen bicarbonato cálcico Tobas calizas: se forman por precipitación de las aguas calizas frías cobre las plantas

6 Caliza litográfica: de grano uniforme muy fino, de color amarillento formada en los golfos marinos por lo que contiene fósiles de animales y plantas muy bien conservados, se emplea en litografía y ornamentación en sustitución de los mármoles Estalactitas: se forman al caer gotas de agua que contienen bicarbonato cálcico del techo de algunas cuevas originando conos de calcita y las estalagmitas se forman en el suelo y acaban por soldarse

7 Origen orgánico: constituídas por los esqueletos y caparazones de organismos animales, ejemplos: Coralina Creta Marga Origen metamórfico: ejemplos: rocas calizas transformadas, Dolomía Mármoles

8 YESO Es el producto de la deshidratación parcial o total del algez o piedra de yeso Es el aglomerante artificial más antiguo conocido por la humanidad según investigaciones en construcciones remotas Se empleó en Egipto en las Pirámides hace 4500 años

9 Se encuentra en forma abundante en la naturaleza en terrenos sedimentarios en dos formas cristalinas: CaSO 4 anhidro (anhidrita) CaSO 4.2H 2 O (piedra de yeso o algez) Anhidrita: incolora o blanca cuando está pura y coloreada (azul, gris o rojiza) cuando contiene arcillas, óxido de hierro o sílice; cristaliza en el sistema rómbico Piedra de yeso o algez: cristaliza en el sistema monoclínico formando rocas abundantes y de acuerdo a su estructura se tienen diferentes variedades (fibroso, espejuelo, flecha o calizo), puede presentarse incoloro o coloreado.

10 CLASES DE YESOS Se clasifican en semihidratados y anhidros Yeso negro o gris (s): se obtiene con algez que contiene gran cantidad de impurezas, es directamente calcinado Yeso blanco (s) Escayola (s): yeso blanco de mejor calidad

11 Anhidrita soluble (a): γ CaSO 4 altamente higroscópica Anhidrita insoluble (a): β CaSO 4 se conoce como yeso muerto porque reacciona muy lentamente con el agua Yeso hidráulico (a): α CaSO 4 fragua lentamente debajo del agua (24 a 48 horas) y requiere mayor cantidad de agua para amasarlo; en aire tarda alrededor de 5 horas. Yeso alúmbrico (a)

12 PROCESO DE FABRICACIÓN La materia prima se tritura finamente, se mezcla en las proporciones adecuadas (dependiendo del tipo de cemento que se va a fabricar) y se calcina en un horno rotatorio a temperaturas alrededor de los 1400 C, en el cual el material se funde parcialmente, formando bolas conocidas como clinker, el cual se enfría y se tritura hasta obtener un polvo fino al que se le adiciona un poco de yeso(para regular el tiempo de fraguado). El producto obtenido es el Cemento Portland.

13 COMPONENTES MINERALÓGICOS DEL CEMENTO Las materias primas utilizadas en la fabricación del cemento son, principalmente, arcillas y calizas: Cal Sílice Alúmina Óxido de hierro.

14 Existen dos métodos para mezclar y triturar la materia prima: Proceso húmedo Proceso seco

15 Proceso húmedo: Caliza y arcilla se trituran por separado, se dispersan en agua en un molino de lavado y se depositan, en proporciones adecuadas, en un molino de bolas para completar la trituración; la lechada resultante, la cual contiene 35 a 50% de agua, se bombea a tanques de almacenamiento, donde la sedimentatión de los sólidos se impide por agitación mecánica. Posteriormente, se mezclan las lechadas de diferentes tanques y se ajusta la composición química para transportar este material al horno rotatorio, donde la lechada va eliminando el agua y liberando el CO 2 a medida que desciende en el horno, pues en éste la temperatura aumenta gradualmente, hasta alcanzar de 1400 a 1500C. El material seco se funde en bolas conocidas como clinker, el cual pasa a una serie de enfriadores para que, una vez frío, se mezcle con yeso y formar lo que se conoce como Cemento Portland

16 Proceso seco: Las materias primas se trituran hasta un polvo fino y se colocan, en las proporciones correctas, en un molino de mezclado, donde se secan. El polvo se bombea a silos de mezclado, donde se obtiene una mezcla uniforme utilizando aire comprimido para inducir el movimiento de dicho polvo (grano crudo). Este grano crudo, con 0.2% de humedad, se pasa a través de un precalentador en donde se calienta hasta 800C, finalmente se introduce en el horno rotatorio donde el proceso es el mismo que por vía húmeda

17 REACCIONES QUÍMICAS DURANTE EL PROCESO DE FABRICACIÓN Las reacciones que se llevan a cabo para la formación del clinker son las siguientes: En la primera zona del horno, la caliza se descompone a 900 C, desprendiéndose CO 2 y quedando óxido de calcio libre CaCO 3 CO 2 + CaO En otra zona del horno se realiza la descomposición de la arcilla en sus óxidos principales: sílice, alúmina y óxido férrico, desprendiéndose agua de hidratación. Arcilla SiO 2 + Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 + H 2 O

18 A continuación, se inicia la combustión de la cal con los óxidos de hierro y aluminio para formar primero el ferrialuminato tetracálcico y después el aluminato tricálcico a 1250 C. Posteriormente se combinan cal y sílice para formar el silicato dicálcico, el cual en presencia de más cal, forma el silicato tricálcico, a C Fe 2 O 3, Al 2 O 3 4CaO.Al 2 O 3.Fe 2 O 3 (ferrialuminato tetracálcico) CaO Al 2 O 3 3CaO.Al 2 O 3 (aluminato tricálcico) SiO 2 2CaO.SiO 2 (Silicato dicálcico) 2CaO.SiO 2 3CaO.SiO 2 (Silicato tricálcico)

19 Entre 1250 y 1500 C se efectúa la semifusión y formación del clinker. En el cemento existen componentes menores como MgO, TiO 2, Mn 2 O 3, K 2 O y Na 2 O cuyo porcentaje debe controlarse cuidadosamente, pues un exceso de álcalis como K 2 O y Na 2 O reacciona con los agregados (arena y grava) provocando la desintegración del concreto y afectando la rapidez con la que el concreto adquiere resistencia.

20 NOMENCLATURA UTILIZADA EN LA INDUSTRIA DEL CEMENTO Nombre Composición de óxido Silicato tricálcico 3CaO.SiO 2 C 3 S Abreviatura Silicato dicálcico 2CaO.SiO 2 C 2 S Aluminato tricálcico Ferrialuminato tetracálcico 3CaO.Al 2 O 3 4CaO.Al 2 O 3.Fe 2 O 3 C 3 A C 4 AF

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24 LAS CANTIDADES EFECTIVAS DE LOS DIFERENTES TIPOS DE COMPUESTOS VARÍAN DE UN CEMENTO A OTRO Oxido Contenido (%) CaO SiO Al 2 O Fe 2 O MgO Alcalis SO 3 1-3

25 HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Para que el cemento Portland funcione como un aglomerante se deben considerar una pasta de cemento y agua, pues en presencia de ésta, silicatos y aluminatos forman productos de hidratación, los cuales con el tiempo tienen la capacidad de fraguar y endurecer.

26 HIDRATACIÓN DE SILICATOS Tanto C 3 S como C 2 S requieren aproximadamente la misma cantidad de agua, sólo que el silicato tricálcico produce mayor cantidad de hidróxido de calcio: 2(3CaO.SiO 2 ) + 6H 2 O 3CaO.2SiO 2.3H 2 O + 3Ca(OH) 2 2(2CaO.SiO 2 ) + 4H 2 O 3CaO.2SiO 2.3H 2 O + Ca(OH) 2

27 Las propiedades físicas de los hidratos de silicato de calcio tienen gran importancia en las propiedades de fraguado y endurecimiento del cemento. Los hidratos de silicato de calcio tienen gran importancia en el fraguado y endurecimiento del cemento, pues C 3 S y C 2 S principales componentes del cemento le proporcionan resistencia a corto y largo plazo respectivamente

28 HIDRATOS DE ALUMINATO TRICÁLCICO Y ACCIÓN DEL YESO La reacción del C 3 A con el agua es muy violenta, por esta razón se agrega yeso al clinker del cemento, pues al reaccionar forman un sulfoaluminato de calcio insoluble (3CaO.Al2 O3.3CaSO4.31H2 O), para regular el tiempo de fraguado Es importante una pequeña cantidad de C 3 A en el cemento porque, aunque no contribuye a reforzarlo a edades tempranas, funciona como fundente (disminuye la T de cocción del clinker y facilita la combinación cal sílice)

29 La presencia de C 4 AF es importante porque actúa como fundente y forma sulfoferrita cálcica con el yeso, la cual acelera la hidratación de los silicatos: 3CaO.Al 2 O 3 + 6H 2 O 3CaO.Al 2 O 3.6H 2 O 4CaO.Al 2 O 3.Fe 2 O 3 + 2Ca(OH) H 2 O 3CaO.Al 2 O 3.6H 2 O + 3CaO.Fe 2 O 3.6H 2 O

30 ACCIÓN DEL YESO La cantidad de yeso añadida al clinker del cemento debe vigilarse cuidadosamente; en particular un exceso de yeso lleva a una expansión y al rompimiento consecuente de la pasta fraguada de cemento La cantidad de yeso requerida aumenta con el contenido de C 3 A así como el contenido de álcalis. La cantidad de yeso que se añade al clinker está limitada a un máximo de 2.5% cuando el contenido de C 3 A no es mayor del 5%, y del 3% cuando el contenido de C 3 A excede al 5%

31 FRAGUADO Término utilizado para describir: la rigidez de la pasta de cemento cambio del estado fluido al estado rígido Se considera que el fraguado es causado por una hidratación selectiva de algunos componentes del cemento: los dos primeros en reaccionar son C3A y C3S El fraguado relámpago del C3A se retarda por la adición de yeso, por lo que, el C3S fragua primero El C3S puro también presenta un fraguado inicial mientras que el C2S se endurece en forma más gradual.

32 TIPOS DE CEMENTOS Cemento Composición de la fase potencial (%) CaO libre (%) Tipo Descripción C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF MgO CaSO 4 Total I De uso general II III De moderado calor de endurecimiento De rápida resistencia mecánica IV De bajo calor V Resistente a sulfatos