Los cementos de aluminato de calcio [1] son cementos que consisten predominantemente en aluminatos de calcio hidráulicos . Los nombres alternativos son "cemento aluminoso", "cemento con alto contenido de alúmina" y "Ciment fondu" en francés. Se utilizan en una serie de aplicaciones especializadas a pequeña escala. [ cita requerida ]
El método de fabricación de cemento a partir de piedra caliza ( CaCO3 ) y bauxita con bajo contenido de sílice ( Al2O3 ) fue patentado en Francia en 1908 por Bied, de la empresa Pavin de Lafarge . El desarrollo inicial fue el resultado de la búsqueda de un cemento que ofreciera resistencia a los sulfatos. El cemento se conocía como "Ciment fondu" y "Ciment électro-fondu" en francés. [2] [3]
Como indica Bied (1922), [2] inventor de este tipo de cemento, los términos "Ciment fondu" ("cemento fundido") y "Ciment électro-fondu" ("cemento electrofundido") se refieren únicamente al proceso de fabricación que implica la fusión de los materiales de base (CaO obtenido después de la descarbonatación de CaCO3 y Al2O3 ) , ya que no existe un rango de temperaturas en el que sea posible observar el ablandamiento y la clínkerización gradual de estos materiales, como es el caso del cemento Portland en torno a los 1450 °C. En ausencia de una temperatura de ablandamiento, los aluminatos de calcio se obtienen directamente por fusión de los materiales precursores, y Bied (1922) indicó claramente su preferencia por la denominación "ciment alumineux" ("cemento aluminoso") haciendo referencia a su composición más que a un proceso de fabricación. [2]
Posteriormente se descubrieron otras propiedades especiales que condujeron a su uso en aplicaciones específicas en el futuro. [ cita requerida ]
En la década de 2010, el producto se encontraba en el mercado estadounidense con el nombre de cemento FONDAG (agregado aluminoso FOND), a veces denominado ALAG (agregado aluminoso). El cemento FONDAG es una mezcla de hasta un 40 por ciento de alúmina y es estable a altas temperaturas y ciclos térmicos de −184 a 1093 °C (−300 a 2000 °F; 89 a 1400 K; 160 a 2500 °R) [4]
El cemento CAC inventado en 1908 por Bied [2] no contiene sulfatos y se endurece para dar lugar principalmente aluminatos de calcio hidratados o carboaluminatos ( fases AFm : fases monosustituidas de ferrita de aluminio), a veces acompañados de C–S–H como componente menor, mientras que el Ca(OH) 2 ( portlandita ) está ausente. [5] Por lo tanto, el cemento CAC no debe confundirse con el cemento de sulfoaluminato de calcio (CSA) que contiene sulfato de calcio e inventado más tarde en 1936. [6]
El componente principal , y también la fase más reactiva, de los cementos de aluminato de calcio es el aluminato monocálcico ( CaAl2O4 = CaO · Al2O3 , también escrito como CA en la notación química del cemento ). Por lo general, contiene otros aluminatos de calcio , así como una serie de fases menos reactivas derivadas de impurezas en las materias primas. Se encuentra una amplia gama de composiciones, dependiendo de la aplicación y la pureza de la fuente de aluminio utilizada. [7] Los componentes de algunas formulaciones típicas incluyen:
Todas las fases minerales toman la forma de soluciones sólidas con composiciones algo variables. [ cita requerida ]
El cemento se fabrica fusionando una mezcla de un material que contiene calcio (normalmente óxido de calcio de piedra caliza ) y un material que contiene aluminio (normalmente bauxita para usos generales o alúmina refinada para cementos blancos y refractarios).
La fusión de la mezcla se consigue a 1600 °C y es un proceso que demanda mucha energía. [8] [9] La temperatura más elevada explica en parte sus mayores costes de producción en comparación con el clínker de cemento Portland ordinario sinterizado a 1450 °C. [ cita requerida ]
La mezcla licuada se enfría hasta convertirse en un clínker vesicular , parecido al basalto , que se muele solo para producir el producto terminado. Debido a que generalmente se produce una fusión completa, se pueden utilizar materias primas en forma de trozos. Una disposición típica de horno comprende un horno de reverbero provisto de un precalentador de eje en el que los gases de escape calientes pasan hacia arriba a medida que la mezcla de materia prima en trozos pasa hacia abajo. El precalentador recupera la mayor parte del calor en los gases de combustión, deshidrata y deshidroxila la bauxita y descarbonata la piedra caliza. El material calcinado cae en el "extremo frío" del baño de fusión. La masa fundida rebosa el extremo caliente del horno hacia moldes en los que se enfría y se solidifica. El sistema se enciende con carbón pulverizado o aceite. Los lingotes de clínker enfriados se trituran y muelen en un molino de bolas . En el caso de cementos refractarios con alto contenido de alúmina , donde la mezcla solo se sinteriza, se puede utilizar un horno rotatorio . [ cita requerida ]
Los cementos CAC ganan resistencia más rápidamente que el cemento Portland común (OPC). A veces, se necesita un retardador para garantizar una trabajabilidad más prolongada. [ cita requerida ]
A diferencia de los cementos Portland, los cementos de aluminato de calcio no liberan hidróxido de calcio ( Ca(OH) 2 , portlandita o cal ) durante su hidratación. [5]
Las reacciones de hidratación de los cementos de aluminato de calcio son muy complejas. Las fases que desarrollan la resistencia son el aluminato monocálcico ( CA ) , el hepta-aluminato dodecacálcico ( C12A7 ) y la belita ( C2S ), un silicato dicálcico . La aluminoferrita cálcica ( C4AF ), el dialuminato monocálcico ( CA2 ), la gehlenita y la pleocroíta contribuyen poco a la resistencia del hormigón . [ cita requerida ]
Durante el fraguado del cemento, los aluminatos reactivos reaccionan inicialmente con agua para formar una mezcla de fases hidratadas expresadas a continuación en notación de óxido normal y también abreviadas en la notación química del cemento (CCN) más compacta (CaO = C; Al 2 O 3 = A; H 2 O = H; y SiO 2 = S):
Las cantidades de cada uno dependen de la temperatura de curado . [ cita requerida ]
Los dos primeros hidratos se descomponen posteriormente en una mezcla de 3 CaO · Al 2 O 3 · 6 H 2 O, gel de Al(OH) 3 y agua, proceso que se denomina "conversión". Debido a la pérdida de agua, la conversión provoca un aumento de la porosidad , que puede ir acompañado de una disminución de la resistencia del hormigón . Esto no tiene por qué ser un problema en el hormigón estructural siempre que se emplee un contenido de cemento suficientemente alto y una relación agua/cemento suficientemente baja . [10]
El uso inadecuado de cementos de aluminato de calcio como material de construcción común sin precauciones especiales ha provocado problemas de estabilidad estructural en los edificios.
El 8 de febrero de 1974, el techo de una piscina se derrumbó en el Reino Unido. [11] En 1984, el techo de un edificio industrial en Uherské Hradiště en Checoslovaquia (construido en 1952) se derrumbó, matando a 18 personas. [12] En Madrid, España, un gran bloque de viviendas apodado Corea (porque fue construido para albergar a los estadounidenses durante la Guerra de Corea ), construido entre 1951 y 1954, se vio afectado y tuvo que ser demolido en 2006. También en Madrid, el estadio de fútbol Vicente Calderón se vio afectado y tuvo que ser parcialmente reconstruido y reforzado. [13]
Debido a su costo relativamente alto y su delicada implementación, los cementos de aluminato de calcio se utilizan en una serie de aplicaciones restringidas donde el rendimiento alcanzado justifica los costos: [3] [ cita requerida ]
La resistencia a la corrosión biogénica de los cementos de aluminato de calcio se utiliza hoy en día en tres aplicaciones principales: [ cita requerida ]
ALAG (ALuminous AGgregate) es un agregado sintético de aluminato de calcio fabricado mediante la fusión de bauxita y piedra caliza en un agregado parcialmente recristalizado de aproximadamente un 40 % de alúmina. Es esencialmente clínker de Fondu, triturado y dimensionado en grados que los formuladores de hormigón y materiales refractarios necesitan comúnmente.