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. [1]
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 . [2] [3] 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 obtuvo también un cemento con propiedades favorables similares. Este nuevo tipo de cemento era más fuerte y elástico que el cemento Portland , y por tanto exhibía un comportamiento más resiliente cuando se sometía a golpes. El material podía moldearse fácilmente como yeso cuando estaba recién preparado, o mecanizarse en un torno después de fraguar y endurecer. Era muy duro, podía unirse fácilmente a muchos tipos diferentes de materiales (buenas propiedades adhesivas ) y colorearse con pigmentos . Por ello, se utilizaba para hacer mosaicos y para imitar el mármol . Tras mezclarse con algodón triturado en polvo, también se utilizaba como material sustituto del marfil para fabricar bolas de billar resistentes a los golpes. [4]
El cemento Sorel es una mezcla de óxido de magnesio ( magnesia quemada ) con cloruro de magnesio con la fórmula química aproximada Mg 4 Cl 2 (OH) 6 ( H 2 O ) 8 o MgCl 2 ·3Mg(OH) 2 ·8H 2 O, correspondiente a una relación de peso de 2,5 a 3,5 partes de MgO por una parte de MgCl 2 . [5]
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 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. [6] [7]
El cemento fraguado está constituido principalmente por una mezcla de oxicloruros de magnesio e hidróxido de magnesio en proporciones variables, dependiendo de la formulación inicial del cemento, del tiempo de fraguado y de otras variables. Los principales oxicloruros estables a temperatura ambiente son los denominados de “fase 3” y “fase 5”, cuyas fórmulas pueden escribirse como 3 Mg(OH)
2· MgCl
2·8 horas
2O y 5 Mg(OH)
2· MgCl
2·8 horas
2O , respectivamente; o, equivalentemente, Mg
2(OH)
3Cl · 4H
2O y Mg
3(OH)
5Cl · 4H
2O . [8]
La fase 5 cristaliza principalmente en forma de agujas largas que, en realidad, son láminas enrolladas. Estas agujas entrelazadas le dan al cemento su resistencia. [9]
A largo plazo, los oxicloruros absorben y reaccionan con el dióxido de carbono CO
2del aire para formar clorocarbonatos de magnesio. [10]
Estos compuestos son los componentes principales del cemento Sorel madurado, preparado por primera vez en 1867 por Stanislas Sorel . [1]
A finales del siglo XIX se hicieron varios intentos para determinar la composición del cemento de Sorel endurecido, pero los resultados no fueron concluyentes. [11] [12] [13] [14] La fase 3 fue aislada y descrita adecuadamente por Robinson y Waggaman (1909), [11] y la fase 5 fue identificada por Lukens (1932). [15]
El cemento Sorel puede soportar una fuerza de compresión de entre 10 000 y 12 000 psi (69 y 83 MPa), mientras que el cemento Portland estándar normalmente solo puede soportar entre 7000 y 8000 psi (48 y 55 MPa). También logra una alta resistencia en un tiempo más corto. [16]
El cemento Sorel tiene una notable capacidad para unirse y contener otros materiales. También presenta cierta elasticidad , una propiedad interesante que aumenta su capacidad para resistir los 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 8,5 a 9,5), pero significativamente menos que la del cemento Portland (condiciones hiperalcalinas: pH 12,5 a 13,5). [17]
Otras diferencias entre los cementos a base de magnesio y el cemento Portland incluyen la permeabilidad al agua, la conservación de sustancias vegetales y animales y la corrosión de los metales. [18] Estas diferencias hacen que sean adecuados para diferentes aplicaciones de construcción. [19]
La exposición prolongada del cemento Sorel al agua lixivia el MgCl soluble .
2, dejando brucita hidratada Mg(OH)
2como fase de unión, que sin absorción de CO 2 , puede resultar en pérdida de resistencia. [17]
En uso, el cemento Sorel generalmente se combina con materiales de relleno como grava, arena, harina de mármol, amianto, partículas de madera y arcillas expandidas. [20]
El cemento Sorel es incompatible con el refuerzo de acero debido a que la presencia de iones de cloruro en la solución de poros y la baja alcalinidad (pH < 9) del cemento promueven la corrosión del acero ( corrosión por picaduras ). [17] Sin embargo, la baja alcalinidad lo hace más compatible con el refuerzo de fibra de vidrio . [20] También es mejor que el cemento Portland como aglutinante para compuestos de madera, ya que su fraguado no se ve retardado por la lignina y otros químicos de la madera. [20]
La resistencia del cemento al agua se puede mejorar con el uso de aditivos como ácido fosfórico , fosfatos solubles , cenizas volantes o sílice . [17]
El cemento de oxicloruro de magnesio se utiliza para fabricar baldosas y pisos industriales , en protección contra incendios , paneles de aislamiento de paredes y como aglutinante para muelas abrasivas . [20] Debido a su parecido con el mármol , también se utiliza para piedras artificiales , [20] 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 de ingeniería (sellos de deriva hechos de hormigón salino ) para depósitos geológicos profundos de desechos nucleares de alto nivel en formaciones de roca salina ( Planta piloto de aislamiento de desechos (WIPP) en Nuevo México, EE. UU.; mina de sal Asse II , Gorleben y Morsleben en Alemania). [21] [22] [23] La fase 5 del oxicloruro de magnesio podría ser un complemento útil, o reemplazo, para el MgO ( periclasa ) actualmente utilizado como un captador de CO2 en las cámaras de eliminación WIPP para limitar la solubilidad de complejos de carbonato de actínidos menores , al tiempo que se establecen condiciones moderadamente alcalinas (pH: 8,5-9,5) aún compatibles con las condiciones geoquímicas inalteradas que prevalecen inicialmente in situ en las formaciones de sal. El óxido y el hidróxido de calcio ( portlandita ), mucho más solubles, no están autorizados en WIPP (Nuevo México) porque impondrían un pH demasiado alto (12,5). Como Mg2+
es el segundo catión más abundante presente en el agua de mar después del Na+
, y que los compuestos de magnesio son menos solubles que los de calcio, los materiales tampón a base de magnesio y el cemento Sorel se consideran materiales de relleno más apropiados para la eliminación de desechos radiactivos en formaciones de sal profundas que los cementos comunes a base de calcio ( cemento Portland y sus derivados). Además, como el hidroxicloruro de magnesio también es un posible tampón de pH en salmueras evaporíticas marinas , se espera que el cemento Sorel altere menos las condiciones in situ iniciales que prevalecen en las formaciones de sales profundas. [24]
El cemento Sorel generalmente se prepara mezclando polvo de MgO finamente dividido con una solución concentrada de MgCl
2. [17]
En teoría, los ingredientes deberían combinarse en las proporciones molares de la fase 5, que tiene las mejores propiedades mecánicas. Sin embargo, las reacciones químicas que crean los oxicloruros pueden no completarse, dejando partículas de MgO y/o MgCl sin reaccionar.
2en 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 más altas que en la fase pura 5. [20] En un estudio, las mejores propiedades mecánicas se obtuvieron con una relación molar MgO : MgCl
2de 13:1 (en lugar de la estequiometría 5:1). [20]
Periclasa (MgO) y magnesita ( MgCO
3) no son materias primas abundantes, por lo que su fabricación en cemento Sorel es costosa y se limita a aplicaciones especializadas de nicho que requieren cantidades modestas de materiales. China es el principal proveedor de materias primas para la producción de óxido de magnesio y derivados. [ cita requerida ] Los " cementos verdes " a base de magnesio se derivan de la dolomita más abundante ( (Ca,Mg)(CO
3)
2) depósitos ( dolomita ), pero que también contienen un 50 % en peso de carbonato de calcio , no deben 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 .