Cemento sorel
El cemento Sorel (también conocido como cemento de magnesia u oxicloruro de magnesio) es un cemento no hidráulico producido por primera vez por el químico francés Stanislas Sorel. en 1867.
De hecho, en 1855, antes de trabajar con compuestos de magnesio, Stanislas Sorel desarrolló por primera vez un cemento de dos componentes mezclando polvo de óxido de zinc con una solución de cloruro de zinc. En pocos minutos obtuvo un material denso y más duro que la piedra caliza.
Sólo una década después, Sorel sustituyó el zinc por magnesio en su fórmula y también obtuvo un cemento con propiedades favorables similares. Este nuevo tipo de cemento era más resistente y elástico que el cemento Portland, por lo que presentaba un comportamiento más resiliente ante los impactos. El material podía moldearse fácilmente como yeso cuando estaba recién preparado o mecanizarse en un torno después de fraguar y endurecerse. Era muy duro, se podía unir fácilmente a muchos tipos diferentes de materiales (buenas propiedades adhesivas) y colorear con pigmentos. Por ello, se utilizaba para realizar mosaicos y para mimetizar el mármol. Después de mezclarlo con algodón triturado en polvo, también se utilizó como material sustituto del marfil para fabricar bolas de billar resistentes a los golpes.
El cemento Sorel es una mezcla de óxido de magnesio (magnesia quemada) con cloruro de magnesio con la fórmula química aproximada Mg4Cl2(OH)6(H2O)8, o MgCl2·3Mg(OH)2·8H2O, correspondiente a una relación en peso de 2,5 a 3,5 partes de MgO por una parte de MgCl2.
Sorprendentemente, mucho más recientemente, otro químico, Charles A. Sorrell (1977, 1980), cuyo apellido suena bastante similar al de Stanislas Sorel, también estudió el tema y publicó trabajos sobre la misma familia de compuestos de oxicloruro basados en sobre zinc y magnesio, tal como lo había hecho Sorel unos 100 años antes. El cemento de oxicloruro de zinc se prepara a partir de óxido de zinc y cloruro de zinc en lugar de compuestos de magnesio.
Composición y estructura
El cemento fraguado consiste principalmente en una mezcla de oxicloruros de magnesio e hidróxido de magnesio en proporciones variables, dependiendo de la formulación inicial del cemento, el tiempo de fraguado y otras variables. Los principales oxicloruros estables a temperatura ambiente son los denominados "fase 3" y "fase 5", cuyas fórmulas se pueden escribir como 3Mg(OH)
2·MgCl
2·8 H
2O y 5 Mg(OH)
2·MgCl
2·8H
>2O, respectivamente; o, de manera equivalente, Mg
2(OH)
3Cl·4H
>2O y Mg
3(OH)
5Cl·4H
2O.
La fase 5 cristaliza principalmente como agujas largas que en realidad son hojas enrolladas. Estas agujas entrelazadas le dan resistencia al cemento.
A largo plazo, los oxicloruros absorben y reaccionan con el dióxido de carbono CO
2 del aire para formar clorocarbonatos de magnesio.
Historia
Estos compuestos son los componentes principales del cemento Sorel maduro, preparado por primera vez en 1867 por Stanislas Sorel.
A finales del siglo XIX, se hicieron varios intentos para determinar la composición del cemento endurecido de Sorel, pero los resultados no fueron concluyentes. La fase 3 fue aislada y descrita adecuadamente por Robinson y Waggaman (1909), y la fase 5 fue identificada por Lukens (1932).
Propiedades
El cemento Sorel puede soportar de 10 000 a 12 000 psi (69 a 83 MPa) de fuerza de compresión, mientras que el cemento Portland estándar generalmente solo puede soportar de 7000 a 8000 psi (48 a 55 MPa). También logra una alta resistencia en un tiempo más corto.
El cemento Sorel tiene una notable capacidad para unirse y contener otros materiales. También presenta cierta elasticidad, una propiedad interesante que aumenta su capacidad de resistir golpes (mejor resiliencia mecánica), particularmente útil para las bolas de billar.
La solución de los poros en el cemento Sorel húmedo es ligeramente alcalina (pH de 8,5 a 9,5), pero significativamente menos que la del cemento Portland (condiciones hiperalcalinas: pH de 12,5 a 13,5).
Otras diferencias entre los cementos a base de magnesio y el cemento portland incluyen la permeabilidad al agua, la preservación de sustancias vegetales y animales y la corrosión de los metales. Estas diferencias hacen que sean adecuadas diferentes aplicaciones de construcción.
La exposición prolongada del cemento Sorel al agua lixivia el MgCl
2, dejando brucita hidratada Mg(OH)
2 como enlace fase, que sin absorción de CO2, puede resultar en pérdida de fuerza.
Rellenos y refuerzo
En su uso, el cemento Sorel suele combinarse con materiales de relleno como grava, arena, harina de mármol, amianto, partículas de madera y arcilla expandida.
El cemento Sorel es incompatible con el refuerzo de acero porque la presencia de iones de cloruro en la solución de los poros y la baja alcalinidad (pH < 9) del cemento promueven la corrosión del acero (corrosión por picaduras). Sin embargo, la baja alcalinidad lo hace más compatible con el refuerzo de fibra de vidrio. También es mejor que el cemento Portland como aglutinante para compuestos de madera, ya que la lignina y otros productos químicos de la madera no retardan su fraguado.
La resistencia del cemento al agua se puede mejorar con el uso de aditivos como ácido fosfórico, fosfatos solubles, cenizas volantes o sílice.
Usos
El cemento de oxicloruro de magnesio se utiliza para fabricar baldosas y pisos industriales, en protección contra incendios, paneles aislantes de paredes y como aglutinante para muelas abrasivas. Debido a su parecido con el mármol, también se utiliza para piedras artificiales, marfil artificial (por ejemplo, para bolas de billar) y otros fines similares.
El cemento Sorel también se estudia como material candidato para amortiguadores químicos y barreras diseñadas (sellos de deriva hechos de concreto salino) para depósitos geológicos profundos de desechos nucleares de alto nivel en formaciones de roca salina (Planta Piloto de Aislamiento de Residuos (WIPP) en Nuevo México, EE.UU.; mina de sal Asse II, Gorleben y Morsleben en Alemania). La fase 5 del oxicloruro de magnesio podría ser un complemento o reemplazo útil para el MgO (periclasa) que se utiliza actualmente como CO2 captador en las cámaras de eliminación de WIPP para limitar la solubilidad de los complejos de carbonatos de actínidos menores, estableciendo al mismo tiempo condiciones moderadamente alcalinas (pH: 8,5–9,5) aún compatibles con las condiciones geoquímicas inalteradas que inicialmente prevalecían in situ en las formaciones de sal. El óxido e hidróxido de calcio (portlandita), mucho más solubles, no están autorizados en WIPP (Nuevo México) porque impondrían un pH demasiado alto (12,5). Como Mg2+
sub style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline"> es el segundo catión más abundante presente en el agua de mar después de Na+
, y que los compuestos de magnesio son menos solubles que los de calcio. , los materiales amortiguadores a base de magnesio y el cemento Sorel se consideran materiales de relleno más apropiados para la eliminación de desechos radiactivos en formaciones salinas profundas que los cementos a base de calcio comunes (cemento Portland y sus derivados). Además, como el hidroxicloruro de magnesio también es un posible amortiguador del pH en las salmueras de evaporita marinas, se espera que el cemento Sorel perturbe menos las condiciones iniciales in situ que prevalecen en las formaciones salinas profundas.
Preparación
El cemento Sorel generalmente se prepara mezclando polvo de MgO finamente dividido con una solución concentrada de MgCl
2.
En teoría, los ingredientes deben combinarse en las proporciones molares de la fase 5, que tiene las mejores propiedades mecánicas. Sin embargo, es posible que las reacciones químicas que crean los oxicloruros no se completen, dejando partículas de MgO y/o MgCl
2 en solución de poros. Mientras que el primero actúa como un relleno inerte, el cloruro sobrante es indeseable ya que promueve la corrosión del acero en contacto con el cemento. También puede ser necesario un exceso de agua para lograr una consistencia trabajable. Por lo tanto, en la práctica las proporciones de óxido de magnesio y agua en la mezcla inicial son mayores que las de la fase 5 pura. En un estudio, las mejores propiedades mecánicas se obtuvieron con una relación molar MgO:MgCl
2 de 13:1 (en lugar de la estequiometría 5:1).
Producción
Periclasa (MgO) y magnesita (MgCO
3) son No abundan las materias primas, por lo que su fabricación en cemento Sorel es costosa y se limita a aplicaciones especializadas que requieren cantidades modestas de materiales. China es el principal proveedor de materias primas para la producción de óxido de magnesio y sus derivados. Los “cementos verdes” a base de magnesio derivado de la dolomita más abundante ((Ca,Mg)(CO
3)
2) depósitos (dolomita), pero que también contienen 50 wt. % carbonato de calcio, no debe confundirse con el cemento Sorel original, ya que este último no contiene óxido de calcio. De hecho, el cemento Sorel es un oxicloruro de magnesio puro.