Notación química del cemento
Notación química del cemento (CCN) se desarrolló para simplificar las fórmulas que los químicos del cemento utilizan a diario. Es una forma abreviada de escribir la fórmula química de los óxidos de calcio, silicio y varios metales.
Abreviaturas de óxidos
Los principales óxidos presentes en el cemento (o en el vidrio y la cerámica) se abrevian de la siguiente forma:
| CCN | Fórmula real | Nombre |
|---|---|---|
| C | CaO | óxido de calcio o lima |
| S | SiO2 | Dióxido de silicona o sílice |
| A | Al2O3 | óxido de aluminio o aluminación |
| F | Fe2O3 | óxido de hierro o óxido |
| T | TiO2 | Dióxido de titanio o titania |
| M | MgO | Óxido de magnesio o periclase |
| K | K2O | Óxido de potasio |
| N | Na2O | Oxido de sodio |
| H | H2O | Agua |
| C | CO2 | Dióxido de carbono |
| S | SO3 | Trióxido de azufre |
| P | P4O10 | Fósforo pentoxide |
Conversión de hidróxidos en óxido y agua libre
Para realizar cálculos de balance de masa, los hidróxidos presentes en las fases hidratadas que se encuentran en la pasta de cemento endurecida, como en la portlandita, Ca(OH)2, primero deben convertirse en óxido y agua.
Para comprender mejor el proceso de conversión de aniones hidróxido en óxido y agua, es necesario considerar la autoprotólisis de los aniones hidroxilo; implica un intercambio de protones entre dos OH−, como en una reacción ácido-base clásica:
- + → +
o también,
- 2 OH− → O2 - 2 + H2O
Para la portlandita esto da el siguiente balance de masa:
- Ca (OH)2 → CaO + H2O
Por lo tanto, la portlandita se puede escribir como CaO · H2O o CH.
Principales fases del cemento Portland antes y después de la hidratación
Estos óxidos se utilizan para formar compuestos más complejos. Las principales fases cristalinas que se describen a continuación están relacionadas respectivamente con la composición de:
- Clinker and non-hydrated cemento de Portland y
- Pastas de cemento endurecidas obtenidas después de la hidratación y la fijación de cemento.
Clinker y cemento Portland no hidratado
Cuatro fases principales están presentes en el clinker y en el cemento Portland no hidratado.
Se forman a alta temperatura (1.450 °C) en el horno de cemento y son los siguientes:
| CCN | Fórmula real | Nombre | Etapa mineral |
|---|---|---|---|
| C3S | 3 CaO · SiO2 | Tricalcium silicate | Alite |
| C2S | 2 CaO · SiO2 | Dicalcium silicate | Belite |
| C3A | 3 CaO · Al2O3 | Tricalcium aluminate | Aluminado o celito |
| C4AF | 4 CaO · Al2O3 · Fe2O3 | Tetracalcium alumino ferrite | Ferrite |
Los cuatro compuestos denominados C3S, C2S, C3A y C4 Las AF son conocidas como las principales fases cristalinas del cemento Portland. La composición de fases de un cemento en particular se puede cuantificar mediante un complejo conjunto de cálculos conocido como fórmula de Bogue.
Para evitar el fraguado instantáneo del hormigón, debido a la muy rápida hidratación del aluminato tricálcico (C3A ), 2 – 5 peso. % sulfato de calcio se intercala con el clinker de cemento para preparar el cemento en polvo. En notación química del cemento, CaSO4 (anhidrita) se abrevia como CS, y CaSO4·2H2 O (yeso) como CSH2.
Del mismo modo, en caso de añadir un relleno de piedra caliza, CaCO3, o CaO·CO2, se puede anotar CC.
Pasta de cemento hidratada
Los productos de hidratación formados en pastas de cemento endurecido (también conocidos como HCP) son más complicados, porque muchos de estos productos tienen casi la misma fórmula y algunos son soluciones sólidas con fórmulas superpuestas. A continuación se dan algunos ejemplos:
| CCN | Fórmula real | Nombre o fase mineral |
|---|---|---|
| CH | Ca (OH)2 o CaO · H2O | Hidroxido de calcio (portlandita) |
| C-S-H | 0,6-2,0 CaO · SiO2 0,9-2,5 H2O, con composición variable dentro de esta gama, y a menudo también incorpora sustitución parcial de Al para Si | Hidrata de silicato de calcio |
| C-A-H | Fase más compleja que C-S-H | Hidrata aluminada de calcio |
| C-A-S-H | Esto es aún más complejo que C-S-H y C-A-H | Hidrata de silicato de calcio |
| AFt | C6AS3H32, a veces con sustitución de Fe por Al, y/o CO2−3 por SO2−4 | Calcio trisulfoaluminar hidratación, o etringita |
| AFm | C4ASH12, a menudo con sustitución de Fe por Al, y / o varios otros aniones como OH− o CO2 - 2 3 para SO2 - 2 4 | Calcio monosulfoaluminate |
| C3AH6 | 3CaO · Al2O3· 6 H2O | Hydrogarnet |
Los guiones en C-S-H indican una fase de hidrato de silicato de calcio de composición variable, mientras que 'CSH' indicaría una fase de silicato de calcio, CaH2SiO4.
Uso en cerámica, vidrio y química de óxidos
La notación química del cemento no se limita a las aplicaciones del cemento, sino que, de hecho, es una notación más general de la química de los óxidos aplicable a otros dominios además de la química del cemento en sentido estricto.
Por ejemplo, en aplicaciones cerámicas, la fórmula de la caolinita también se puede escribir en términos de óxidos, de ahí la fórmula correspondiente para la caolinita,
- Al2Si2O5(OH)4,
es
- Al2O3 · 2 SiO2 · 2 H2O
o en CCN
- ASÍ2H2.
Posible uso de CCN en mineralogía
Aunque no es una práctica muy desarrollada en mineralogía, algunas reacciones químicas que involucran silicatos y óxidos en la masa fundida o en sistemas hidrotermales, y procesos de erosión de silicatos también podrían describirse con éxito aplicando la notación química del cemento a la mineralogía de silicatos.
Un ejemplo podría ser la comparación formal de la hidratación de belita y la serpentinización de forsterita, que se ocupan de la hidratación de dos silicatos alcalinotérreos estructuralmente similares, Ca2SiO4 y Mg. 2SiO4, respectivamente.
- Sistema de calcio
- hidratación belite:
- + → +
()Reacción 4a)
- 2 C2S + 4 H → C3S2H3 + CH
()Reacción 4b)
- Sistema de magnesio
- serpentinización forsterita:
- + → +
()Reacción 4c)
- 2 M2S + 3 H → M3S2H2 + MH
()Reacción 4d)
La relación Ca/Si (C/S) y Mg/Si (M/S) disminuye de 2 para los reactivos de silicato dicálcico y dimagnesio a 1,5 para los productos de silicato hidratado de la reacción de hidratación. En otras palabras, el C-S-H o la serpentina son menos ricos en Ca y Mg respectivamente. Es por ello que la reacción conduce a la eliminación del exceso de portlandita (Ca(OH)2) y brucita (Mg(OH)2), respectivamente, del sistema de silicatos, dando lugar a la cristalización de ambos hidróxidos como fases separadas.
La rápida reacción de la hidratación de la belita en el fraguado del cemento es formalmente "químicamente análoga" a la lenta hidratación natural de la forsterita (el extremo de magnesio del olivino) que conduce a la formación de serpentina y brucita en la naturaleza. Sin embargo, la cinética de hidratación de la belita artificial pobremente cristalizada es mucho más rápida que la lenta conversión/meteorización del Mg-olivino bien cristalizado en condiciones naturales.
Esta comparación sugiere que los mineralogistas probablemente también podrían beneficiarse del formalismo conciso de la notación química del cemento en sus trabajos.