La belita es un mineral industrial importante en la fabricación de cemento Portland . Su componente principal es el silicato dicálcico, Ca2SiO4 , a veces formulado como 2CaO·SiO2 ( C2S en la notación química del cemento ) .
El nombre fue dado por Törnebohm en 1897 a un cristal identificado en una investigación microscópica del cemento Portland. [1] Belita es un nombre de uso común en la industria del cemento, pero no es un nombre mineral reconocido. Se encuentra en la naturaleza como el mineral larnita , cuyo nombre se deriva de Larne , Irlanda del Norte , la ciudad más cercana a Scawt Hill , donde fue descubierto. [2]
La belita presente en el cemento Portland difiere en su composición del silicato de di calcio puro . Es una solución sólida y contiene cantidades menores de otros óxidos además de CaO y SiO 2 . Una composición típica: [3]
En base a esto, la fórmula puede expresarse como Ca 1,94 Mg 0,02 Na 0,01 K 0,03 Fe 0,02 Al 0,07 Si 0,90 P 0,01 O 3,93 . En la práctica, la composición varía con la composición en masa del clínker , sujeta a ciertos límites. La sustitución de iones de calcio o iones de ortosilicato requiere que las cargas eléctricas se mantengan en equilibrio. Por ejemplo, un número limitado de ortosilicato ( SiO4−
4) los iones pueden reemplazarse con sulfato ( SO2−
4), siempre que por cada ion sulfato, se requieran dos iones aluminato ( AlO5−
4) Los iones también están sustituidos.
El silicato dicálcico es estable y se prepara fácilmente a partir de CaO y SiO2 reactivos a 300 °C. La forma de baja temperatura es la γ-belita u olivino de cal . Esta forma no se hidrata y se evita en la fabricación de cemento.
A medida que aumenta la temperatura, pasa por varios estados polimórficos :
La belita es el mineral del cemento Portland responsable del desarrollo de la resistencia "tardía" . El otro silicato, la alita, contribuye a la resistencia "temprana", debido a su mayor reactividad. La belita reacciona con el agua (aproximadamente) para formar hidratos de silicato de calcio (CSH) y portlandita (Ca(OH) 2 ) según la reacción:
Esta reacción rápida es "químicamente análoga" a la lenta hidratación natural de la forsterita (el miembro terminal de magnesio del olivino ) que conduce a la formación de serpentina y brucita en la naturaleza, aunque la cinética de hidratación de la belita artificial mal cristalizada es mucho más rápida que la lenta erosión del Mg- olivino bien cristalizado en condiciones naturales.
La fase de hidrato , [3 CaO · 2 SiO 2 · 3 H 2 O], se denomina fase " CSH ". Crece como una masa de agujas entrelazadas que proporcionan la resistencia del sistema de cemento hidratado. Una reactividad relativamente alta de la belita es deseable en la fabricación de cemento Portland, y la formación de la forma γ no reactiva debe evitarse rigurosamente. Esto se logra mediante un enfriamiento rápido, formando cristales que son pequeños, distorsionados y altamente defectuosos. Los defectos proporcionan sitios para el ataque inicial del agua. Si no se enfría rápidamente el clínker, se produce la inversión de la belita a la forma γ. La forma γ tiene una estructura y densidad sustancialmente diferentes, de modo que la inversión conduce a la degradación del cristal y su matriz circundante, y también puede desencadenar la descomposición de la alita vecina . Esto se observa macroscópicamente como "polvo": los nódulos de clínker caen hasta convertirse en un polvo fino .
Los minerales presentes en el clínker de cemento Portland se pueden observar y cuantificar mediante microscopía petrográfica . Los nódulos de clínker se cortan y muelen hasta obtener una superficie plana y pulida. Los minerales expuestos se hacen visibles e identificables mediante el grabado de la superficie. A continuación, la superficie se puede observar con luz reflejada mediante microscopía óptica . En el ejemplo, un nódulo de clínker se ha pulido y grabado con vapor de fluoruro de hidrógeno . La alita se muestra de color marrón, la belita de color azul y las fases fundidas de color blanco. También se puede utilizar la microscopía electrónica , en cuyo caso los minerales se pueden identificar mediante análisis con microsonda . El método preferido para cuantificar los minerales con precisión es la difracción de rayos X sobre el clínker en polvo, utilizando la técnica de análisis de Rietveld . La belita es mucho más difícil de moler en un molino de cemento que la alita.
