Los cementos de aluminato de calcio [1] son cementos compuestos predominantemente de 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 necesaria ]
El método para fabricar cemento a partir de piedra caliza ( CaCO 3 ) y bauxita con bajo contenido de sílice ( Al 2 O 3 ) fue patentado en Francia en 1908 por Bied de la empresa Pavin de Lafarge . El desarrollo inicial surgió como 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] quien fue el 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 base (CaO obtenido tras la descarbonatación de CaCO 3 y Al 2 O 3 ). Esto se debe a que no existe un rango de temperatura en el que se pueda observar el progresivo ablandamiento y clinkerización de estos materiales, como es el caso del cemento Portland a unos 1450 °C. En ausencia de una temperatura de reblandecimiento, 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") refiriéndose a su composición más que a una proceso de manufactura. [2]
Posteriormente se descubrieron otras propiedades especiales que condujeron a su futuro en aplicaciones específicas. [ cita necesaria ]
En la década de 2010, el producto se encontraba en el mercado estadounidense con el nombre de cemento FONDAG (FOND Aluminous Aggregate), a veces denominado ALAG (ALuminous AGgregate). 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 principalmente aluminatos o carboaluminatos de calcio hidratados ( fases AFm : fases monosustituidas de ferrita de aluminio), a veces acompañados de C–S–H como componente menor, mientras que 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 y se inventó más tarde en 1936. [6]
El constituyente principal, y también la fase más reactiva, de los cementos de aluminato de calcio es el aluminato monocálcico ( CaAl 2 O 4 = CaO · Al 2 O 3 , también escrito como CA en la notación química del cemento ). Suele contener otros aluminatos de calcio , así como una serie de fases menos reactivas derivadas de impurezas en las materias primas. Se encuentra una gama bastante amplia de composiciones, dependiendo de la aplicación y la pureza de la fuente de aluminio utilizada. [7] Los constituyentes de algunas formulaciones típicas incluyen:
Todas las fases minerales toman la forma de soluciones sólidas con composiciones algo variables. [ cita necesaria ]
El cemento se elabora 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 requiere mucha energía. [8] [9] La temperatura más elevada explica en parte sus costes de producción más elevados que los del clinker de cemento Portland ordinario sinterizado a 1450 °C. [ cita necesaria ]
La mezcla licuada se enfría hasta obtener un clinker vesicular similar al basalto que se muele solo para producir el producto terminado. Como normalmente se produce una fusión completa, se pueden utilizar materias primas en forma de trozos. Una disposición de horno típica comprende un horno de reverbero provisto de un precalentador de cuba 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 de los gases de combustión, deshidrata y deshidroxila la bauxita y descarbona la piedra caliza. El material calcinado cae al "extremo frío" del baño fundido. La masa fundida desborda el extremo caliente del horno hacia moldes en los que se enfría y solidifica. El sistema se enciende con carbón pulverizado o petróleo. Los lingotes de clinker enfriados se trituran y muelen en un molino de bolas . En el caso de cementos refractarios con alto contenido de alúmina , donde la mezcla sólo se sinteriza, se puede utilizar un horno rotatorio . [ cita necesaria ]
Los cementos CAC ganan resistencia más rápidamente que el cemento Portland ordinario (OPC). A veces, se necesita un retardador para garantizar una trabajabilidad más prolongada. [ cita necesaria ]
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 de desarrollo de resistencia son aluminato monocálcico ( CA ), heptaaluminato de dodecacalcio ( C 12 A 7 ) y belita ( C 2 S ), un silicato dicálcico. La aluminoferrita de calcio ( C 4 AF ), el dialuminato monocálcico ( CA 2 ), la gehlenita y la pleocroita contribuyen poco a la resistencia del hormigón . [ cita necesaria ]
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 abreviada en la notación química del cemento más compacta (CCN) (CaO = C; Al 2 O 3 = A; H2O = H y SiO2 = S ) :
las cantidades de cada uno dependen de la temperatura de curado . [ cita necesaria ]
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 común de construcción 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 una fábrica en Uherské Hradiště en Checoslovaquia (construida 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 derribado en 2006. También en Madrid el estadio de fútbol Vicente Calderón El estadio resultó 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 logrado justifica los costos: [3] [ cita necesaria ]
La resistencia a la corrosión biogénica de los cementos de aluminato de calcio se utiliza hoy en tres aplicaciones principales: [ cita necesaria ]
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 clinker de fondu, triturado y clasificado en los grados que comúnmente necesitan los formuladores de concreto y moldeables.