Preparation and hydration of model ecocement phases. Characterization by diffraction and cognate methods

Abstract

La producción de cementos de sulfoaluminato de calcio (CSA, del inglés Calcium SulfoAluminate) es más respetuosa para el medio ambiente que la de los cementos Portland ordinarios (OPC, del inglés Ordinary Portland Cement) ya que libera menos CO2. Los cementos CSA presentan un amplio rango de ensamblaje de fases, pero todos contienen en torno a un 50% de ye'elimita además de belita, ferrito aluminato tetracálcico y otros componentes minoritarios. La ye'elimita es muy reactiva y la mayor parte del calor de hidratación se libera durante las ocho primeras horas. Durante la hidratación a edades tempranas, el principal producto cristalino que se forma, debido a la disolución de la ye'elimita en presencia de sulfato, es la fase etringita. Sin embargo, la fase monosulfato se forma cuando no hay una fuente de sulfato soluble en el medio. La ye'elimita, también está incluida (25% en peso) en los cementos belíticos de sulfoaluminato de calcio (BCSA, del inglés Belite Calcium SulfoAluminate). La formulación más común de estos cementos consiste en β-C2S, C4A3S y C4AF. El C2S presenta cinco formas polimórficas. Sin embargo, el polimorfo α'H-C2S es el más activo hidráulicamente, por ello su estabilización juega un papel importante en la preparación de los cementos activados tipo BCSA en el laboratorio y en ensayos industriales. Esta tesis doctoral se ha dividido en dos bloques: i) estudios estructurales de fases anhidras y ii) estudios de hidratación de fases seleccionadas. Para el estudio de la forma β del silicato dicálcico, se preparó la disolución sólida con fórmula general, Ca2Si1-2xAl2xO4-x x. Los materiales se caracterizaron determinándose el límite de la serie cercano a x=0.014. Por otro lado, la muestra α'H-Ca1.85Na0.15(SiO4)0.85(BO3)0.15 se seleccionó para estudiar la estructura cristalina del polimorfo α'H del silicato dicálcico. Para el caso de la ye'elimita, se han preparado dos muestras: una estequiométrica (Ca4Al6O12SO4) y otra dopada (Ca3.8Na0.2Al5.6Fe0.2Si0.2O12SO4) para caracterizar los polimorfos ortorrómbico y pseudocúbico, respectivamente. Mediante estudios termodifractométricos, calorimetría diferencial de barrido y medidas de permitividad se determinó la transición reversible que presentan. Los estudios de hidratación se han realizado usando difracción de rayos-X de polvo de laboratorio con la metodología del estándar externo (factor-G) y/o usando difracción de rayos-X sincrotrón de polvo con la metodología del estándar interno para determinar el ensamblaje de fases incluyendo el material amorfo. Los resultados obtenidos por ambas metodologías muestran una consistencia que permite entender las reacciones de hidratación en función del tiempo. Se ha determinado el papel del polimorfismo de la ye'elimita en los mecanismos de hidratación comparándose la reactividad de ambos polimorfos, obteniéndose importantes diferencias en su cinética y en sus mecanismos de hidratación. Además, se ha estudiado la hidratación de la ye'elimita en combinación con C4AF y con silicato dicálcico. En el caso del estudio de la hidratación con el silicato dicálcico, a los 6 meses, el α'H-C2S se disolvió totalmente, en cambio, se encontraron grandes cantidades de β-C2S sin reaccionar en todas las muestras. Finalmente, se ha determinado el comportamiento de hidratación de la fase C4AF en ausencia y presencia de yeso.