El aluminato tricálcico Ca3Al2O6 , a menudo formulado como 3CaO·Al2O3 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 con descomposición a 1542 °C. La celda unitaria contiene 8 aniones cíclicos Al 6 O 18 18− , que se puede considerar que consisten en 6 tetraedros de AlO 4 que comparten vértices . [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 a partir de la composición y alrededor de un 10 % de monómeros de AlO 4 no conectados y dímeros de Al 2 O 7 . [4]
En el clínker de cemento Portland , el aluminato tricálcico se presenta como una "fase intersticial", que cristaliza a partir de la masa fundida. Su presencia en el clínker se debe únicamente a la necesidad de obtener líquido a la temperatura máxima de procesamiento del horno (1400–1450 °C), lo que facilita 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 un 15-20% de los átomos de aluminio reemplazados por silicio y hierro, y con cantidades variables de átomos de metales alcalinos que reemplazan 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:
En consonancia 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 clínker Portland. Su hidratación a fases de la forma Ca2AlO3 ( OH ) · nH2O conduce al fenómeno de "flash set" (fraguado instantáneo), y se genera una gran cantidad de calor. Para evitarlo, los cementos tipo Portland incluyen una pequeña adición de sulfato de calcio (normalmente 4-8 % ). Los iones sulfato en solución conducen a la formación de una capa insoluble de etringita (3CaO • Al2O3 • 3CaSO4 · 32 H2O sobre la superficie de los cristales de aluminato, pasivándolos. El aluminato reacciona entonces lentamente para formar fases AFm de composición general 3CaO • Al2O3 • CaSO4 · 12 H2O . Estos hidratos contribuyen poco al desarrollo de la resistencia.
El aluminato tricálcico está asociado con tres efectos importantes que pueden reducir la durabilidad del hormigón:
Debido a que son aún más básicos, los polimorfos cargados de álcali 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 de fraguado al aire. Extraen agua del yeso durante el almacenamiento del cemento, lo que conduce a un fraguado falso. Por esta razón, su formación se evita siempre que sea posible. Es más favorable energéticamente para el sodio y el potasio formar sulfatos y cloruros en el horno , pero si hay una cantidad insuficiente de iones sulfato, cualquier exceso de álcalis se acumula 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 solo se mantiene si hay un exceso sustancial de oxígeno en la atmósfera del horno: si se establecen "condiciones reductoras", entonces el azufre se pierde como SO2 y comienzan a formarse aluminatos reactivos. Esto se puede controlar fácilmente rastreando el nivel de sulfato de clínker hora a hora.
Hidratos de aluminato tricálcico en el proceso de formación del cemento Portland. Mediante difracción de rayos X se forman dos hidratos, el hexahidrato abreviado C3AH6 y un nonadecahidrato abreviado C4AH19. En presencia de yeso , un componente de los clínkeres típicos, se forma el sulfato (S) con la fórmula C4ASH12. [1]