El clínker de cemento Pórtland consta esencialmente de cuatro fases cristalinas: alita, belita, aluminato tricálcico y ferroaluminato [81], íntimamente asociadas entre sí. Contiene además una porosidad apropiada, cal libre (CaO sin combinar), así como periclasa (MgO) [92]. La Tabla 8, resume los datos más importantes de las fases del clínker.
Figura 7. Transformación de la harina en clínker. La línea roja muestra el perfil de temperatura.
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Tabla 8. Principales fases mineralógicas en el clínker Portland Fase
Mineralógica Compuesto Fórmula Química
Notación Cementera
Composición Aproximada
Alita Silicato
tricálcico 3CaOSiO2 C3S 45-70%
Belita Silicato
dicálcico 2CaOSiO2 C2S 10-35%
Aluminato Cálcico
Aluminato
tricálcico 3CaOAl2O3 C3A 5-14%
Ferrita Ferroaluminato
tetracálcico 4CaOAl2O3Fe2O3 C4AF 5-15%
Cal libre Óxido de
calcio CaO C <2%
Periclasa Óxido de
magnesio MgO M <5%
6.1. Alita.
Es el nombre que recibe el silicato tricálcico (C3S). Puede aceptar en su
composición hasta un 2% de MgO y pequeñas cantidades de AI2O3, Fe2O3 y TiO2.
Las cantidades de estos óxidos dependen de la composición del clínker, de la temperatura de cocción y del proceso de enfriamiento [63]. La alita presenta una morfología geométrica hexagonal y constituye la fase más importante en el clínker de cemento Pórtland [93], reacciona rápidamente con agua y es la fase que principalmente aporta al desarrollo de la resistencia temprana del cemento (generalmente en los primeros 28 días). Lo deseable es tener la mayor cantidad de C3S, aun a expensas de las otras fases. La alita se descompone por debajo de
los 1275°C en C2S y CaO, siendo esta reacción lenta en su forma estable por lo
que el C3S se puede presentar metaestablemente a temperatura ambiente por
enfriamiento rápido [65].
6.2. Belita.
Es el nombre que recibe el silicato dicálcico (C2S) y la segunda fase más
importante del clínker, ya que reacciona en forma similar a la alita. Puede presentarse en cuatro formas , ', y [94]. La forma no es hidráulica, la ’ da escasa resistencia mecánica, la se hidrata a una velocidad que es dependiente del tipo de estabilizador empleado y la es inerte. El silicato dicálcico β-C2S
conforma principalmente esta fase. Reacciona lentamente con el agua y contribuye ligeramente a la resistencia temprana del cemento pero, con el paso del tiempo, es la fase que más aporte tiene sobre la resistencia a edades tardías del cemento [95], presenta una morfología geométrica esférica con dimensiones de 20 a 40 m [96] mostrando algunas estrías. El otro tipo de belita tiene una
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forma irregular y muestra sólo un conjunto de estrías [81]. La alita y la belita son las fases responsables de las resistencias a la compresión que caracterizan al cemento Pórtland.
6.3. Alumínato tricálcico.
Conocido como Celita [97]. Dado que su formación es a partir de la fase líquida, todos los iones presentes en el líquido (en general Na y K así como Mg, S, Ti, Mn en cantidades de hasta 5%) pueden quedar atrapados en este mineral. En la producción de clínker se ha encontrado que la estructura del aluminato es ortorrómbica o cúbica ó, una combinación de ambas [81]. La fase del aluminato posee una capacidad de reacción muy alta, la cual se incrementa por la inclusión de álcalis. A fin de “frenar” la reacción de la fase aluminato al comienzo de la hidratación, es preciso añadir al cemento algún sulfato (yeso), para retardar el proceso del fraguado. Junto con la alita y la belita, la fase aluminato puede contribuir a aumentar ligeramente la resistencia del cemento a corto plazo (a causa de su elevado calor de hidratación), no obstante sus propiedades hidráulicas son escasas.
6.4. Ferrita.
La ferrita (C4AF) no posee una composición química constante [98], forma parte
de una serie de soluciones sólidas que teóricamente se extienden desde el C2A
hasta el C2F; al igual que el aluminato, contiene iones extraños y es la
responsable de dar el color verde grisáceo obscuro característico del clínker. La fase ferrítica reacciona muy lentamente y carece de importancia significativa directa a efectos de las propiedades del cemento. También se le conoce con el nombre brownmillerita en la química del cemento [81]. Es responsable de la reducción en la temperatura de clinkerización del cemento en el proceso de producción.
6.5. Otras fases del clínker.
La mayor parte de los clínkeres contienen cal libre (cal no combinada), MgO libre (periclasa), y en raros casos se pueden encontrar pequeñas cantidades sulfatos alcalinos y fase vítrea.
La cal libre (CaO) es el excedente de óxido de calcio que no se combina con los demás óxidos, es debida a una inadecuada preparación del crudo (demasiado grueso o inhomogéneo), a una cocción insuficiente (tal que no permite su combinación con otros óxidos), a un enfriamiento lento (que posibilita la descomposición del C3S y del C3A), o un contenido demasiado alto de cal [63]. Por
lo general se utiliza como parámetro de control para inferir el grado de reacción obtenido en el proceso de clinkerizado. Industrialmente se busca que el contenido de esta fase sea menor a 2 %, porque en cantidades mayores pueden causar un
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La periclasa (MgO) es una fase no deseada en el clínker debido a que también presenta cambio de volumen al hidratarse, pero a diferencia de la cal libre, la periclasa puede tomar años en reaccionar. El máximo total permisible de MgO es del 5 % en masa, puesto que en proporciones altas puede producir una expansión semejante a la cal. Esta expansión es más dañina que la de la cal, pues a veces sus daños no son detectados sino al cabo de varios años.
Los sulfatos alcalinos (K2SO4, NaSO4) deben su presencia a los álcalis
presentes en las materias primas arcillosas, ya que éstos reaccionan en forma preferencial con el azufre proveniente de los combustibles. Su presencia afecta el desarrollo de las resistencias del cemento.
Algunos óxidos menores, así como sus efectos se presentan en la Tabla 9 [65].