El aluminato tricálcico Ca 3 Al 2 O 6 , a menudo formulado como 3CaO·Al 2 O 3 para resaltar las proporciones de los óxidos de los que está hecho, es el más básico de los aluminatos de calcio . No se encuentra en la naturaleza, pero es una fase mineral importante en el cemento Portland . [1]
El aluminato tricálcico se forma al calentar una mezcla 3:1 de óxido de calcio y óxido de aluminio por encima de 1300 °C. Los cristales son cúbicos, con una dimensión de celda unitaria de 1,5263 nm [2] y una densidad de 3064 kg·m −3 . Se funde durante la descomposición a 1542 °C. La celda unitaria contiene 8 aniones cíclicos Al 6 O 18 18- , que se puede considerar que constan de 6 tetraedros de AlO 4 que comparten esquinas . [3] La estructura del aluminato tricálcico líquido puro contiene principalmente tetraedros de AlO 4 en una red infinita, con una concentración ligeramente mayor de oxígenos puente de lo esperado de la composición y alrededor del 10% de monómeros de AlO 4 y dímeros de Al 2 O 7 no conectados . [4]
En el clínker de cemento Portland , el aluminato tricálcico se presenta como una "fase intersticial", cristalizando en la masa fundida. Su presencia en el clinker se debe únicamente a la necesidad de obtener líquido a la temperatura máxima de procesamiento en horno (1400-1450 °C), facilitando la formación de las fases de silicato deseadas. Aparte de este beneficio, sus efectos sobre las propiedades del cemento son en su mayoría indeseables. Forma una fase de solución sólida impura, con 15-20% de los átomos de aluminio reemplazados por silicio y hierro, y con cantidades variables de átomos de metales alcalinos reemplazando al calcio, dependiendo de la disponibilidad de óxidos alcalinos en la masa fundida. La forma impura tiene al menos cuatro polimorfos:
Las composiciones químicas típicas son:
De acuerdo con su alta basicidad, el aluminato tricálcico reacciona más fuertemente con el agua de todos los aluminatos de calcio y también es la más reactiva de las fases del clinker Portland. Su hidratación a fases de la forma Ca 2 AlO 3 (OH) · n H 2 O conduce al fenómeno de "flash set" (fraguado instantáneo), y se genera una gran cantidad de calor. Para evitar esto, los cementos tipo Portland incluyen una pequeña adición de sulfato de calcio (normalmente entre un 4 y un 8%). Los iones sulfato en solución conducen a la formación de una capa insoluble de etringita (3CaO • Al 2 O 3 • 3CaSO 4 · 32 H 2 O sobre la superficie de los cristales de aluminato, pasivandolos. Luego, el aluminato reacciona lentamente para formar fases AFm de composición general 3CaO • Al 2 O 3 • CaSO 4 · 12 H 2 O . Estos hidratos contribuyen poco al desarrollo de la fuerza.
El aluminato tricálcico se asocia con tres efectos importantes que pueden reducir la durabilidad del hormigón:
Debido a que son aún más básicos, los polimorfos cargados con álcalis son correspondientemente más reactivos. Cantidades apreciables (>1%) en el cemento dificultan el control del fraguado y el cemento se vuelve excesivamente higroscópico. La fluidez del polvo de cemento se reduce y tienden a formarse grumos fijados con aire. Extraen agua del yeso durante el almacenamiento del cemento, lo que provoca un fraguado falso. Por este motivo se evita su formación siempre que sea posible. Es energéticamente más favorable que el sodio y el potasio formen sulfatos y cloruros en el horno , pero si hay una cantidad insuficiente de iones sulfato, los álcalis excedentes se congregan en la fase de aluminato. La alimentación y el combustible en el sistema del horno se controlan preferiblemente químicamente para mantener el sulfato y los álcalis en equilibrio. Sin embargo, esta estequiometría sólo se mantiene si hay un exceso sustancial de oxígeno en la atmósfera del horno: si se establecen "condiciones reductoras", entonces el azufre se pierde en forma de SO 2 y comienzan a formarse aluminatos reactivos. Esto se controla fácilmente mediante el seguimiento del nivel de sulfato de clinker hora a hora.
El aluminato tricálcico se hidrata en el proceso de formación del cemento Portland. Usando difracción de rayos X , se forman dos hidratos, el hexahidrato abreviado C3AH6 y un no adecahidrato abreviado C4AH19. En presencia de yeso]], un componente de los clinkers típicos, se forma el sulfato (S) con la fórmula C4ASH12. [1]