LA LUZ DE SINCROTRÓN DESVELA LOS SECRETOS DE LA HIDRATACIÓN DEL CEMENTO

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Un equipo internacional de investigadores ha estudiado el proceso de hidratación de la alita, el componente principal del cemento Portland. Utilizando varias técnicas de análisis, han podido comprender aspectos clave del proceso de hidratación, hasta ahora desconocidos. Los resultados, publicados hoy en la revista científica Scientific Reports, son de interés a nivel industrial ya que permitirán optimizar las prestaciones de los morteros y hormigones.

Cerdanyola del Vallès, 4 de junio de 2018. Aunque parece que tienen poco en común el cemento y la luz de sincrotrón, ha sido la utilización de esta última la que ha permitido a un grupo de investigadores, liderados por el Sincrotrón ALBA y en colaboración con la Universidad de Málaga (Spain), la Universidad de Milán (Italy) y el Østfold University College (Noruega), descubrir a nivel nanométrico cómo se hidrata la alita, el constituyente principal del cemento Portland.

La hidratación de los cementos Portland es un proceso complejo, donde intervienen reacciones químicas y cambios físicos diversos. De ahí que sea un campo de estudio destacado en la ciencia de materiales. 

Cuando el tricalcio silicato (o alita) se hidrata, produce hidróxido de calcio cristalino (o portlandita) y el gel nanocristalino silicato cálcico hidratado (C-S-H). Esta reacción, originalmente estudiada por Le Chatelier, se conocía bien a nivel micro pero no a nivel nanométrico.

Mediante el análisis por difracción de rayos X en la línea de luz MSPD de ALBA, han podido monitorizar las distintas etapas de la hidratación del cemento: la disolución de la alita, la cristalización de la portlandita y la precipitación del gel C-S-H. Los resultados han demostrado que el gel C-S-H es heterogéneo a escala nanométrica y está compuesto de clinotobermorita y monoláminas de hidróxido de calcio.

Con estos resultados y otras observaciones de microscopía electrónica, el equipo ha propuesto un nuevo modelo del proceso de hidratación de la alita, que permite explicar comportamientos del cemento previamente incomprendidos. Por ejemplo, justifica una característica llamativa de la hidratación de los cementos mezclados con cenizas volantes, donde el contenido de portlandita disminuye menos de lo previsto por el modelo termodinámico actual. Este modelo también asegura que la portlandita debe carbonatar antes de convertirse en el gel C-S-H pero estos experimentos demuestran que lo hace simultáneamente.

"Estos resultados, además de su interés a nivel científico, son relevantes para la industria ya que les permite disponer de datos cuantitativos para optimizar las prestaciones de los hormigones", asegura Miguel Ángel García Aranda, investigador principal del estudio y director científico del Sincrotrón ALBA.

IM_CementHydrationPDF 

Figura 1: Datos obtenidos mediante PDF (Función de Distribución de Pares Atómicos, Pair Distribution Function). Datos experimentales (cículos azules), ajustados (líneas rojas) y diferencia (líneas grises) correspondientes a pastas de alita (a) de 40 a 70 Å; (b) de 10 a 25 Å; (c) de 2 a 10 Å. 

 IM_CementHydrationMultitechnique

Figura 2: Imagen multiescala de la reacción de hidratación de la alita a distintas escalas. (Parte superior) Microescala. (a1) Micrografía SEM para C3S_21µm. (a2) Micrografía SEM para C3S_3µm. (b) Micrografía FEG-SEM para C3S_21µm mostrando micropartículas homogéneas de portlandita, poros que surgen del agua, y tres aglomerados de gel C-S-H heterogéneo. (c) Vista ampliada de una región de gel C-S-H en (b). (d) Micrografía TEM de alita que muestra nanopartículas C-S-H en forma de hoja intercaladas en la mesoescala. (e) Representación esquemática de las nanopartículas coloidales C-S-H de clinotobermorita (azul) e hidróxido de calcio monocapa (naranja) que generan los poros de gel pequeños y los poros de gel grandes. (f) Representación esquemática de un solo nanoglóbulo C-S-H compuesto de clinotobermorita y monoláminas de hidróxido de calcio a la nanoescala. (Parte inferior) Reacción de hidratación de la alita a la nanoescala, destacando los tres componentes principales del nanocompuesto coloidal C-S-H. 

 

Referencia: Cuesta, A.; Zea-Garcia, J.D.; Londono-Zuluaga, D.; De la Torre, A.G.; Santacruz, I.; Vallcorba, O.; Dapiaggi, M.; Sanfélix, S.G.; Aranda, M.A.G. "Multiscale understanding of tricalcium silicate hydration reactions" Scientific Reports, 2018, doi: 10.1038/s41598-018-26943-y

Agradecimientos: Este trabajo ha sido apoyado por el MINECO a través de BIA2014-57658-C2-2-R, que está cofinanciado por los fondos FEDER, BIA2014-57658-C2-1-R y I3 (IEDI-2016-0079).

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