Hidratación del cemento

La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 5 de marzo de 2017; las comprobaciones requieren 8 ediciones .

La hidratación del cemento  es la reacción química del cemento con el agua para formar hidratos cristalinos . [2] En el proceso de hidratación, el cemento adhesivo líquido o plástico se convierte en piedra de cemento. La primera etapa de este proceso se denomina espesamiento o fraguado, la segunda, endurecimiento o endurecimiento. [3]

Reacciones químicas

Los minerales de clínker anhidros , al reaccionar con el agua, se convierten en hidrosilicatos, hidroaluminatos e hidroferratos de calcio. Todas las reacciones son exotérmicas , es decir, proceden con la liberación de calor. La tasa de hidratación se ve afectada por: el grado de molienda del cemento y su composición mineral, la cantidad de agua con la que se mezcla el cemento, la temperatura, la introducción de aditivos. [5] El grado de hidratación depende de la relación agua-cemento , y alcanza su valor máximo sólo después de 1-5 años. [6] [~ 1] El grado de hidratación se determina de varias formas: por la cantidad de Ca(OH) 2 , por la liberación de calor, por la gravedad específica de la pasta de cemento, por la cantidad de agua ligada químicamente, por la cantidad de cemento no hidratado, [~ 2] o indirectamente por indicadores de resistencia piedra de cemento. [7] Los productos de hidratación varían en fuerza. Los principales portadores de fuerza son los hidrosilicatos de calcio. [6] En el proceso de hidratación de los clinkers C 3 S y C 2 S, además de los hidrosilicatos de calcio, se forma la cal apagada Ca(OH) 2 , que permanece en la piedra de cemento y evita la corrosión del acero en el interior de la piedra de cemento. [ocho]

Las ecuaciones de reacción para los cuatro principales minerales de clínker son las siguientes [9] :

Para silicato tricálcico (abreviado ):

j / g

Para silicato dicálcico (abreviado ):

j/g

Para aluminato tricálcico (abreviado ):

j/g

Para aluminoferrita tetracálcico (abreviado ):

j/g

Cambios en las propiedades físicas

Al mezclar cemento y agua, las partículas de cemento están rodeadas de agua, que constituye el 50-70 por ciento en volumen de la mezcla. Como resultado de la reacción química de hidratación, comienza la formación de cristales en forma de aguja. Después de 6 horas, se forma una cantidad suficiente de cristales y se forman enlaces espaciales entre las partículas de cemento. Así es como se produce el espesamiento (fraguado) de la mezcla de cemento. [3] El proceso de fraguado es probablemente proporcionado por la hidratación selectiva de los minerales de clínker C 3 A y C 3 S, así como el desarrollo de capas alrededor de los granos de cemento y la coagulación mutua de los constituyentes de la pasta de cemento. [11] Después de 8 a 10 horas, el volumen de la mezcla de cemento se llena con un esqueleto de cristales en forma de aguja, formado principalmente por los productos de hidratación de aluminatos C 3 A, por lo que esta estructura se denomina aluminato. A partir de este momento, comienza la solidificación y el desarrollo de la resistencia , que están asociados con la formación de una estructura de silicato formada durante la hidratación de los minerales de clínker C 3 S y C 2 S. La reacción de los silicatos y el agua da como resultado cristales muy pequeños que se combinan en un estructura homogénea finamente porosa, que determina la resistencia final de la piedra de cemento. Después de aproximadamente un día, la estructura de silicato comienza a desplazar la estructura de aluminato y después de 28 días la desplaza por completo. [5] En la práctica, la formación de una estructura de aluminato suelto a partir de hidrosilicato de calcio durante el fraguado afecta negativamente las características de resistencia de la piedra de cemento. Por lo tanto, el yeso se introduce en el clinker de cemento , cuya cantidad está limitada por la concentración permisible de anhídrido sulfúrico SO 3 en peso en cemento. [~ 3] El aditivo de yeso retarda la formación de hidroaluminato de calcio y la estructura de la pasta de cemento hidratada está formada por hidrosilicato de calcio. [once]

La hidratación del cemento durante el período de fraguado se caracteriza por la liberación de calor: al comienzo del fraguado se produce un rápido aumento de la temperatura y al final del fraguado se observa un máximo de temperatura. La velocidad de fraguado depende de la temperatura ambiente. A bajas temperaturas, el fraguado se ralentiza. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de fraguado, sin embargo, a temperaturas superiores a 30 °C, se puede observar el efecto contrario. [once]

Para la hidratación completa del grano de cemento, la cantidad de agua requerida es el 40% de su masa. En este caso, de la cantidad de agua especificada, el 60 % (o el 25 % en peso de cemento) se unirá químicamente con el cemento y el 40 % (o el 15 % en peso de cemento) permanecerá en los poros del gel. . [12] El valor medio de la gravedad específica de los productos de hidratación en estado saturado de agua es 2,16. [13] Aquella parte del agua (25% de la masa de cemento), que entra en reacción química con el cemento, sufre una contracción de volumen (compresión) durante la reacción, que es aproximadamente el 25% de su volumen. Como resultado, la piedra de cemento resultante se reduce parcialmente en volumen. Este proceso se denomina contracción, y la cantidad de reducción de volumen se denomina volumen de contracción. [12]

Con la hidratación completa del adhesivo de cemento, el volumen de poros será de aproximadamente 28 [15] -30 [12]  % del volumen de la estructura de gel resultante. Al mismo tiempo, el valor de la porosidad del gel no depende principalmente de la relación agua-cemento de la mezcla y del grado de hidratación, sino que es un indicador característico de la marca de cemento. [16] El tamaño de los poros del gel es de aproximadamente 1,5-2 [15] (1-3 [17] ) nm de diámetro. [~ 4] La parte del volumen total de la pasta de cemento que no se llena con productos de hidratación forma un sistema interconectado de poros capilares distribuidos aleatoriamente por toda la piedra de cemento. La porosidad capilar de la piedra de cemento depende directamente de la relación agua-cemento de la mezcla e inversamente dependiente del grado de hidratación. Cuanto mayor sea la relación agua-cemento, mayores serán los poros capilares. Al mismo tiempo, a medida que aumenta el grado de hidratación del cemento, disminuye el volumen de poros capilares. El tamaño del poro capilar es de aproximadamente 1,27 µm . [19]

Estructuralmente, los productos de hidratación son geles , y el proceso de hidratación en sí mismo se clasifica como gelificación. [5] En el proceso de hidratación, el área superficial de la fase sólida del gel de cemento aumenta significativamente, lo que conlleva un aumento en la adsorción de agua libre. Al mismo tiempo, se preserva el consumo de agua en las reacciones de hidratación. La consecuencia de estos dos procesos es el autosecado, el fenómeno de reducción de la humedad relativa en la pasta de cemento. El autosecado reduce el grado de hidratación, por lo que, para el curso normal de los procesos de endurecimiento de la pasta de cemento, es necesario mantener el nivel de humedad, como una de las condiciones para el normal desarrollo de la resistencia. El proceso de autosecado también se compensa con el exceso de agua al mezclar la mezcla de cemento (cuando la relación agua-cemento es de 0,5 o más). [veinte]

Notas

Comentarios
  1. ↑ Al analizar el “ hormigón romano ”, había en él componentes hidráulicos, que después de 200 años aún no se han hidratado al 100%. [6]
  2. ↑ Uso del análisis de difracción de rayos X.
  3. ↑ Según GOST 10178-62, el contenido de anhídrido sulfúrico (SO 3 ) en el cemento Portland debe ser de al menos 1,5 y no más de 3,5 %. Según la norma británica BS 12: 1958, el contenido máximo de SO 3 se establece en 2,5 % con un contenido de C 3 A no superior al 7 % o 3 % con un contenido de C 3 A superior al 7 %. [once]
  4. ↑ A modo de comparación: el diámetro de las moléculas de agua es de 0,29 nm. [Dieciocho]
Fuentes
  1. ↑ Rouhollah Alizadeh. Cemento y  arte . Fecha de acceso: 17 de diciembre de 2016. Archivado desde el original el 14 de diciembre de 2016.
  2. ↑ Construcción: Diccionario Enciclopédico, 2011 , p. 107.
  3. ↑ 1 2 Reichel, Konrad, 1979 , p. 33.
  4. ↑ Neville, 1972 , pág. 13
  5. ↑ 1 2 3 Reichel, Konrad, 1979 , p. 34.
  6. ↑ 1 2 3 Reichel, Konrad, 1979 , p. 40
  7. ↑ Neville, 1972 , pág. 12
  8. ↑ Reichel, Conrad, 1979 , pág. 38.
  9. ↑ Reichel, Conrad, 1979 , pág. 37.
  10. ↑ Reichel, Conrad, 1979 , pág. 36.
  11. ↑ 1 2 3 4 Neville, 1972 , pág. dieciséis.
  12. ↑ 1 2 3 Reichel, Konrad, 1979 , p. 35.
  13. ↑ Neville, 1972 , pág. veinte.
  14. ↑ Neville, 1972 , pág. 19
  15. ↑ 1 2 Neuville, 1972 , pág. 25
  16. ↑ Neville, 1972 , pág. 26
  17. ↑ Dra. James J. Beaudoin. Sobre la validez de los modelos coloidales para la pasta de cemento hidratada  (inglés)  (enlace no disponible) . Fecha de acceso: 15 de diciembre de 2016. Archivado desde el original el 25 de julio de 2017.
  18. ↑ Shevchenko, 2004 , pág. 25
  19. ↑ Neville, 1972 , pág. 24
  20. ↑ Neville, 1972 , pág. 19-20.

Literatura

Enlaces

Selección temática de ilustraciones  (inglés) obtenidas mediante microscopio electrónico de barrido