03 - Química del Cemento
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QuímicaQuímica deldel CementoCemento, , Manufactura Manufactura y y
CaracterizaciónCaracterización
2 Quïmica del Cemento
ObjetivosAl Final de este modulo los estudiantes seran capaces de:
l Describir el proceso de manufactura del cemento
l Entender los efectos de los componentes de cementacion individuales
l Entender el efecto de los parametros de fabricacion
l Describir el proceso de hidratacion
l Podran explicar los efectos volumetricos durante la hidratacion
l Entenderan la retrogresion del cemento, los efectos del tiempo y la resistencia a los sulfatos
3 Quïmica del Cemento
Cemento Portland
l Definición:– Es una mezcla heterogénea de materiales arcillosos y
calcáreos, más otros materiales que contienen sílica, aluminio y materiales de hierro, que son quemados a temperatura de “clinker”, (1500°C). Esta mezcla se enfría, se muele y el resultado es Clinker
– El cemento Portland es un cemento de tipo hidráulicocuyo desarrollo compresivo es el resultado de un proceso quimico de hidratación.
4 Quïmica del Cemento
l Materia Prima:
Calcáreos - 2 Partes Arcilláceos - 1 ParteCarb. de Calcio (CaCO3) ArcillasRocas de Cemento ShalesTiza Slate and MudstoneMarmol Blast furnace slagCoral Puzolanas (fly ash)Residuos de Alkali Rocas de Cemento
Se los muele y se los calienta a temperatura de tratamiento en el horno (kiln) a 1500oC
Materiales del Cemento y Procesamiento
5 Quïmica del Cemento
Minas de Carbonato Calcico
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6 Quïmica del Cemento
Preparación de la Materia Prima
l Proceso Seco– Molienda y Mezcla de los materiales, en SECO – Proceso más barato – Clinker de menor calidad
7 Quïmica del Cemento
Preparación de la Materia Prima
l Proceso Húmedo – Molienda y Mezcla de materiales en lechada – Proceso costoso debido al combustible requerido para evaporar
el agua– Calidad de Clinker más uniforme
8 Quïmica del Cemento
Almacenamiento y Mezclado de lasMaterias Primas Pulverizadas
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9 Quïmica del Cemento
Proceso de Quemado
ll Mezcla precalentadaMezcla precalentada eses enviadaenviada al al hornohorno rotatoriorotatorio (kiln)(kiln)–– La La mezcla mezcla se se quema hasta fusión parcial quema hasta fusión parcial a @ 1500a @ 1500ooC (2700C (2700ooF) F) –– ComplejasComplejas series de series de reaccionesreacciones tomantoman lugarlugar en el en el hornohorno y y entoncesentonces
loslos materialesmateriales crudoscrudos son son convertidosconvertidos en “CLINKER”en “CLINKER”
10 Quïmica del Cemento
Horno Rotativo o Kiln
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11 Quïmica del Cemento
Proceso de Quemado / Tratamiento Térmico
Rango de Perfil deTemperatura Reaccion
Hasta 200 Evaporacion200 a 800 Precalentamiento800 a 1100 Dehydroxylation
1100 a 1300 Reacciones exotermicas1300 a 1500 Sinterizacion1500 a 1250 Enfriamiento
Reacción en las zonas del horno rotatorio
12 Quïmica del Cemento
l CLINKER - Molienda y calentamiento en el kiln a 1500o C
CLINKER
C3S : Silicato Tricalcico C2S : Silicato Dicálcico C3A : Aluminato Tricalcico C4AF : Alumino ferrato TetracalcicoCa + Mg Oxidos, Ca(OH)2, CaCO3, Na2NO4. etc.
Enfriamiento controlado hacia una segundamolienda
Materiales del Cemento y Procesamiento
13 Quïmica del Cemento
Dentro del Horno
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14 Quïmica del Cemento
Proceso de Enfriamientol Tasa de Enfriamiento: Lento (4-5oC/min)
– C3A y C4AF desarrollan un alto grado de cristalinidad – Cristales de C3S y C2S se convierten en altamente ordenados – Magnesio libre forma cristales periclásicos Resultado: Menos hidráulicamente activo con tamaño de partículas
grande Se requiere menos energía durante el proceso de molienda El esfuerzo a la compresión se desarrolla más rápidamente (3-7
días)Esfuerzo compresivo a largo plazo es más rápido (28 días)Más baja resistencia a sulfatos
ALTO GRADO DE EXPANSIVIDAD
15 Quïmica del Cemento
Proceso de Enfriamiento
l Tasa de enfriamiento: Rápida (18-20oC/min)– C3A y C4AF permanecen en fase cristalina – C3S y C2S permanecen altamente ordenados – Magnesio libre permanece en fase cristalina– Resultado: Más hidráulicamente activa con tamaño de partícula
relativamente pequeña – Más energía requerida durante el proceso de molienda – Más pronto desarrollo de esfuerzo compresivo temprano (3-7
días)– Más alto desarrollo de esfuerzo compresivo (28 días)– Más resistencia a sulfatos. Magnesio libre (MgO) es menos activo
EXPANSIVIDAD ES MENOS PROBABLE
16 Quïmica del Cemento
Efectos de Enfriamiento
l Tasas de Enfriamiento y efectos– La calidad del Clinker y del cemento terminado depende
de la tasa de enfriamiento
l La mejor forma:– 1 ) Enfriar lentamente hasta +/- 2,282 oF (1,250 oC), (7-9
oF/min)– 2 ) Enfriar rápido 32-36 oF/min (18 - 20 oC/min)
17 Quïmica del Cemento
Sistema de Enfriamiento del Clinker
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18 Quïmica del Cemento
l Yeso (Gypsum)Añade 3 - 5% Yeso (Ca.SO4.2H2O) o mezcla de Yeso
+Sulfato de Calcio semihidratado (CaSO4.1/2H2O)
o Anhidrato (CaSO4)
Se pulveriza la mezcla y se la vuelve a mezclarl Cemento PORTLAND
C3S + C2S + C3A + C4AF + CaSO4.2H2O + CaO + MgO + (Na2SO4 + NaKSO4 + CaK2(SO4)2, or K2SO4)
(dependiendo del cemento)
Materiales del Cemento y Procesamiento
19 Quïmica del Cemento
Molienda Final
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20 Quïmica del Cemento
a. Diagrama de flujo del proceso
b. Distribución del tamaño de la partícula
0
20
40
60
80
100
100 10 1
%
Cum
ulat
ive
Mas
s %
EQUIVALENT SPHERICAL DIAMETER, µm
Operaciones de Molienda y Almacenaje
21 Quïmica del Cemento
Sistema de Distribucion y Almacenaje
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22 Quïmica del Cemento
Efectos del Proceso de ManufacturaPasos en las Propiedades del Cemento
Proporcionamiento de Materiales Crudos
Material Conc. % Muy Bajo Muy Alto
CaO 65 Bajo esf. Comp. Expans., RompimientoSiO2 22 Rapido frague Lento fragueAl2O3 5 Aumentada tem. Rápido frague
para el quemado Fe2O3 4 Rápido FragueMgO 1 Expansividad (>5%)
23 Quïmica del Cemento
Proceso de Enfriamiento
Enfriamiento Lento EnfriamientoRápidoPermite cristalización de Clinker Permite formación de
Cristales Asegura mejor molienda Clinker difícil de moler Más C3A + MgO para cristalizar Previene formación Beta de
C2SProduce alpha C2S (casi inerte) Causa que se forme menos
C3A + MgO
Efectos del Proceso de ManufacturaPasos en las Propiedades del Cemento
24 Quïmica del Cemento
Proceso de Molienda y Adición de Yeso
Molienda Fina La Proporción del Cemento Reactivo AumentaLa Tasa de Hidratación Aumenta El Esfuerzo Compresivo es mas alto
Yeso Adición Controlada DifícilSulfato de calcio semihidratado Conduce a períodos más cortos de hidrataciónMuy poco yeso produce problemas de gelación
Efectos del Proceso de ManufacturaPasos en las Propiedades del Cemento
25 Quïmica del Cemento
Estructura del Grano del Clinker
l C3S: Mayor Componente
l C2S: Segundo másabundante, pero muy bajareacción
l C3A: La más baja reacción, se hidrata rápidamente
l C4AF: Fase Intersticial, altamente reactiva
C3A: Tricalcium Aluminate3CaO.Al2O3
C4AF: Tetracalcium Aluminoferrite
4CaO. .Al2O3 .Fe2O3
C3S: Tricalcium Silicate3CaO.SiO2
C2S: Dicalcium Silicate2CaO.SiO2
26 Quïmica del Cemento
Efectos de los Mayores Componentesdel Clinker
ll FaseFase SilicatoSilicato:
ll C3S, C3S, SilicatoSilicato TricálcicoTricálcico
–– Es el mayor Es el mayor componentecomponente en el en el cementocemento ((formado formado de de CaOCaO y SiO2)y SiO2)
–– Se Se hidratahidrata másmás rápidamenterápidamente queque el C2S (el C2S (controlacontrola elel tiempotiempo deldel fraguadofraguado))
–– ContribuyeContribuye a a todostodos loslos pasospasos del del esfuerzoesfuerzo compresivocompresivo
ll C2S, C2S, SilicatoSilicato DicálcicoDicálcico
–– FormadoFormado de de CaOCaO y SiO2y SiO2
–– Se Se hidratahidrata muymuy lentamente con lentamente con másmás bajobajo calorcalor de de hidratación hidratación
–– AfectaAfecta esfuerzoesfuerzo compresivocompresivo a largo a largo término término
27 Quïmica del Cemento
Efectos de los Mayores Componentesdel Clinker
ll Fase Fase de de AluminioAluminioll C3A, C3A, AluminatoAluminato TricálcicoTricálcico
– Formado de CaO y Al2O3– Se hidrata más rápidamente y produce el más alto calor de hidratación – Juega un papel importante en:
l Temprano esfuerzo compresivo l Comportamiento reológico de la lechada l Control del tiempo de fraguado y bombeabilidad
– El C3A hidratado es fácilmente atacado por sulfatos ll C4AF, C4AF, AluminoAlumino ferratoferrato tetracálcicotetracálcico
– Está formado de CaO, Al2O3 y Fe2O3– Da color al cemento – Tiene poco efecto en las propiedades del cemento fraguado – Produce bajo calor de hidratación
28 Quïmica del Cemento
Hidratación de C3S & C2Sl 2C3S + 6H C3S2H3 + 3CH (Rápido)
l 2C2S + 4H C3S2H3 + CH (Lento)
l 2C3S + C2S + H2O C-S-H GEL + PORTLANDITE (Ca(OH)2)
– C3S mayor constituyente (hasta 60 - 65 %)
– C2S normalmente menos de 20%
– C3S hidrata mucho más rápido que el C2S
– C-S-H gel + 70% cemento hidratado y es el principal material de adherencia
29 Quïmica del Cemento
Etapas Etapas de de HidrataciónHidratación
Hidratación de C2S y C3S
30 Quïmica del Cemento
Efecto de la adición de yeso en la tasa de hidratación:
•Sin Yeso
•2C3A + 27H C2AH8 + C4AH19
•C2AH8 + C4AH19 2C3AH6 + 15H FLASH SET
•Con Yeso
•2C3A + 3CSH2 + 26H C3A + 3CS + 32H
C3A + yeso + agua Ettringite
•Todo el Yeso Consumido
•C3A.3CS.32H + 2C3A + 4H C3A. CS.12H
Hidratación de C3A y C4AF
31 Quïmica del Cemento
0
10
20
30
40
50
60
0 4 5 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84 88 92 96 100
104
108
112
116
120
I. Período de PreinducciónII. Período de InducciónIII. Período de Aceleración
IV. Período de DeceleraciónV. Período de Difusión
Nota: T.T. Thickening timeM.T. Mixing time
min hrs dias
Tiempo de Hidratacion
II IIII IIIIII IVIV VV
T.T.T.T.
M.T.M.T.Ra
te o
f Hyd
ratio
n
Hidratación del Cemento Portland
32 Quïmica del Cemento
Hidratación del Cemento PortlandPERIODO DE PREPERIODO DE PRE--INDUCCIONINDUCCION
l Dura entre 30 sec - 4 mins (justo después de la mezcla del cemento)
l Reacción altamente exotérmica
– Se forma un gel inicial C-S-H gel sobre las superficies de C3S
– Ettringite se forma y precipita encima de las superficies de C3A
l Las reacciones de hidratación son reducidad porque:
- C3A es inhibido por la formación de ettringita
- C3S es inhibido por la formación de la película C-S-H gel
- C2S y C4AF son naturalmente reacciones lentas
l La concentración de Ca(OH)2 empieza a incrementar
33 Quïmica del Cemento
Hidratación del Cemento PortlandPERIODO DE INDUCCIONPERIODO DE INDUCCIONBaja actividad de hidratación y la liberación de calor cae l Concentración de iones Ca2+ y OH- incrementa hasta su saturación
respecto a Ca(OH)2l Nivel crítico de supersaturación de iones Ca2+ y OH- es alcanzado; Ca(OH)2
empieza a precipitar l El período termina con el incremento en la actividad de hidratación y
generación de calor – El cambio en el gel C-S-H permite que la hidratación C3S continue – El yeso se termina y la hidratación del C3A reinicia rápidamente
l Solamente un pequeño porcentaje de C3S se hidrata durante este período
34 Quïmica del Cemento
Hidratación del Cemento PortlandPERIODO DE ACELERACIONPERIODO DE ACELERACION
l Hidratación ocurre más rapidamente (Todavía hay C3S disponible parareaccionar)
l Ca(OH)2 sólido cristaliza de la solución
l El hidratado se interelaciona y crece, decreciendo la porosidad
l Una red es formada y el esfuerzo compresivo se empieza a formar
PERIODO DE DESACELERACION PERIODO DE DESACELERACION
l La porosidad del sistema disminuye cuanto más hidratos son formados
l Difusión de agua a través de las capas de los hidratos es reducida
l Transporte de especies ionicas es incrementado
l La tasa de hidratación desacelera
35 Quïmica del Cemento
Hidratación del Cemento Portland
PERIODO DE DIFUSIONPERIODO DE DIFUSIONLa La hidrataciónhidratación continua continua muymuy lentamente lentamente
ll ReducciónReducción en la en la tasatasa de la de la evoluciónevolución del del calor calor
ll EspesamientoEspesamiento de de loslos productosproductos de la de la hidrataciónhidratación alrededoralrededor de de laslas fasesfases del del cementocemento = = ReducciónReducción de la de la porosidad porosidad
ll No No ocurrenocurren mayoresmayores cambioscambios estructurales estructurales
ll HidrataciónHidratación total total nuncanunca eses alcanzadaalcanzada bajobajo condicionescondiciones ambientales ambientales
36 Quïmica del Cemento
THE MULTICOMPONENT SYSTEM
0
2
4
6
8
10
121 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Time of Hydration
Rat
e o
f E
volu
tio
n
Dissolution: Ettringiteand C-S-H gel formation
Increase Ca++and OH- concent.
Formation ofC-S-H & CH
Formation ofMonosulfate
DiffusionControlledReaction
Final Set
Initial Set
min.hours
days
Hidratación del Cemento Portland
37 Quïmica del Cemento
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20
Hydration time (hr)
Hea
t flo
w (m
W)
25
45
65
85
Efectos de la Temperatural Más alta temperatura, más alta
tasa de hidratación.
l Añada retardadores para extender el período de inducción.
l Añada aceleradores para reducir el período de inducción.
l Encima de 230F, el gel C-S-H no es estable y productoscristalinos se forman
38 Quïmica del Cemento
Fraguado Falso – Fraguado InstantaneoClinker Sulphate Hydration time
Reactivity avaibility 10 MIN 1 Hour 3 HoursI Ettringite recrystallization
LOW LOW WORKABLE WORKABLE SETII
HIGH HIGH WORKABLE SET SETIII
HIGH LOW SET SET SETIV
LOW HIGH SET SET SET
-Fraguado Instantaneo = Hidratación descontrolada del C3A (sin yeso Alta actividad del Clinker
- Fraguado Falso = Precipitación de yeso secundario debido a la deshidratación del mismo y alta solubilidad de los productos formados `
39 Quïmica del Cemento
Reactividad del Clinker vs Disponibilidad de Sulfatos
40 Quïmica del Cemento
No 1 Day 7 Days 28 Days100 DaysPortland cement 1 2.8 4.8 6 6.9Portland cement 2 1.7 4.4 6.3Portland cement 3 2.7 8 8.6 8.7without gypsum 4 2.6 6.3 7.5 7.6
- Concentración Química del Cemento
- Bulk o encogimiento externo : +/- 0.1% BV cement
- Concentración interna : 4 - 6% BV cement
- Encogimiento interno crea porosidad secundaria (o extra porosidad) en la matriz del cemento fraguado
Porcentaje de la reducción del volumen absoluto
Cambios en el volumen de Cemento
41 Quïmica del Cemento
Es un resultado de:– Largos períodos de almacenamiento – Alta humedad – Altas Temperaturas – Carbonatación Afecta al cemento por efectos de:– Aumentar el tiempo de bombeabilidad – Disminuir el esfuerzo compresivo – Disminuir el calor de hidratación– Incrementar la viscosidad de la lechada (se vuelve impredecible)– Hace la manipulación del bulk más complicada
Efectos del Envejecimiento
42 Quïmica del Cemento
SAMPLE SURFACE AREA (m2/g)
Blaine BET
A 0.2 0.8
B 0.3 0.5
C 0.4 1.2
Distribución del Tamaño de la Partícula
43 Quïmica del Cemento
1. Mg + Na Sulfatos en los fluidos de la formación reaccionan con cristales de Ca(OH)2 en el cemento para formar
• Cristales de Mg(OH)2Ca(OH)2 + MgSO4 + 2H2O ------> CaSO4.2H2O + Mg(OH)2
• Una solución de NaOHCa(OH)2 + Na2SO4 + 2H2O ------> CaSO4.2H2O + NaOH
2. Expansion ocurre debido al reemplazo de Ca(OH)2 por Mg(OH)2
3. Incremento en la porosidad del cemento se da porque NaOH es mucho mássoluble que el Ca(OH)2
4. Formación de ETTRINGITE después de que el cemento se ha fraguado-----> EXPANSION Y RESQUEBRAJAMIENTO DEL CEMENTO <-----
C3AH6 + 3CSH2 + 2OH -----> C3A.3CS.32H (Ettringita secundaria)
C3A + 3CSH2 + 26H ------> C3A3CS.32H (Ettringite)
Resistencia a Sulfatos
44 Quïmica del Cemento
1. Acción de Sulfatos:
Ca(OH)2 + MgSO4 -----> Mg(OH)2 + CaSO4
3CaSO4 + C3A + 32H2O ----->C3A.3CaSO4.32H2O
------> Expansion y Resquebrajamiento <------
2. Acción de cloruros:
Ca(OH)2 + MgCl2 -----> Mg(OH)2 + CaCl2
CaCl2 + C3A + 10H20 ------> C3A.CaCl2.10H2O (Inestable monochloroaluminate)
C3A.CaCl2.10H2O + 3CaSO4 -----> Secundaria Ettringite
------> Expansion y Resquebrajamiento <------
3. Acción de sales alcalinas:
Ca(OH)2 + Na2SO4 ------> CaSO4 + 2NaOH
---------> EROSION <---------
Agresión de Sales a CementosFraguados
45 Quïmica del Cemento
• DISMINUCION DEL ESFUERZO COMPRESIVO A ALTAS TEMPERATURAS
At 250ºF (120ºC) Disminución lenta At 450ºF (232ºC) Después de unos tantos días At 600ºF (315ºC) Dentro de pocos días
• DEBIDO A UN CAMBIO ESTRUCTURAL DEL CEMENTO HIDRATADO ENCIMA DE 230ºF (110ºC)
C-S-H GEL + Ca(OH)2 ------> a - C2SH (>230ºF)
AMORFO CRISTALINOESTABLE Expansion PERMEABLEC/S RATIO = 1.5 BAJO ESFUERZO COMPRESIVO
• SE PREVIENE REDUCIENDO LA RELACION DE SILICA/CAL EN EL CEMENTO, POR MEDIO DE LA ADICION DE 35 - 40% BWOC DE SILICA
C-S-H + SILICA ------> TOBERMORITE (C5S6H5) (>230ºF)
TOBERMORITE ------> XONOTLITE (C6S6H) + GYROLITE
(C6S3H2) (>300ºF)
Retrogresión del Esfuerzo Compresivo
Retrogresión del Esfuerzo Compresivo1. CS and K - neat cement @ 230oC (450oF)
2. CS and K -16.0 lb/gal Class G + 35% silica
1 D30 @230oC(450oF)2 D66 @230oC(450oF)3 D66 @320oC(610oF)
1 D30 @230oC(450oF)2 D66 @230oC(450oF)3 D66 @320oC(610oF)
1. Class G + 44% water2. Class G + 38% water3. Class H + 32% water4. Extended cement
Retrogresión del Esfuerzo Compresivo
Clasificación API del Cementol CLASE A : Para ser usado desde superficie hasta una profundidad de 6,000 ft
cuando no se requieren propiedades especiales. Es similar al tipo de
cemento ASTM Tipo I.
l CLASE B : Debe ser usado desde una profundidad de 6,000 ft (1,830 m).
Resistencia a sulfatos de moderada a alta. Similar al tipo de cemento ASTM
Tipo II, y tiene un menor contenido de C3A que el clase A.
l CLASE C : Para usarse desde superficie hasta una profundidad de 6,000 ft
(1,800 m), cuando se requiere esfuerzo compresivo temprano. Está
disponible en los tres grados de resistencia a sulfatos y es equivalente al
tipo de cemento ASTM tipo III. Para conseguir alto esfuerzo compresivo
temprano. El contenido y el área de C3S son relativamente altos.
Clasificación API del Cemento (Cont.)
l CLASE E: Para ser usado desde 10,000 ft (3,050 m) hasta 14,000 ft (4,270 m)
bajo condiciones de altas temperaturas y presiones. Disponible en tipos
MSR y HSR.
l CLASE D: Para uso desde 6,000 ft (1,830 m) hasta 10,000 ft (3,050 m) bajo
condiciones de moderadamente alta temperatura y presión. Disponible en
tipos MSR y HSR.
l CLASE F: Para ser usada desde 10,000 ft (3,050 m) hasta 16,000 ft (4,880 m) de
profundidad bajo condiciones de extremadamente alta temperatura y
presión. Disponible en tipos MSR y HSR types.
50 Quïmica del Cemento
Clasificación API del Cemento (Cont.)
l CLASE G y H: Para ser usado como un cemento básico para cementación de pozos desde superficie hasta 8,000 ft (2,440 m) tal como se lo fabrica o puede ser usado con aceleradores y retardadores para cubrir un amplio rango de profundidades y temperaturas de pozos.
– Durante la manufactura de estos tipos de cemento, no se debe adicionar más que sulfato de calcio o agua, o ambos que debe ser mezclado con el clinker durante la manufactura de los mismos.
– Estan disponibles en tipos MSR y HSR.
51 Quïmica del Cemento
l TYPICAL POTENTIAL PHASE COMPOSITION (%)
API ASTM C3S C2S C3A C4AF FINENESS SPECIALCLAS TYPE (cm2/g) APPLICATION
A I 45 27 11 8 1600 Surface Csg.B II 44 31 5 13 1600 < 6000 ftC III 53 19 11 9 2200 High strengthD - 28 49 4 12 1500 6 - 10000 ftE - 38 43 5 9 1500 10 - 14000 ftG (II) 50 30 5 12 1800 > 8000 w add.H (II) 50 30 5 12 1600 Same as G
Composiciones Típicas de Fases de Cementos API
PARA DETERMINAR LAS CONCENTRACIONES DE COMPONENTES DEL CLINKER
Cálculos de Bogue
l Cuando la relación de Al2O3 a Fe2O3 > 0.64 C3S = (4.071 x %CaO) - (7.60 x %SiO2) - (6.718 x %Al2O3) - (1.43 x %Fe2O3)-(2.852 x %SO3)
– C2S = (2.687 x %SiO2) - (0.7544 x %C3S)– C3A = (2.65 x %Al2O3) - (1.692 x %Fe2O3)– C4AF = 3.043 x %FE2O3
l Cuando la relación de Al2O3 a Fe2O3 < 0.64– Se forma una solución sólida de aluminoferrato de calcio, ss(C4AF +
C2F)– ss(C4AF + C2F) = (2.10 x %Al2O3) + (1.702 x %Fe2O3)– C3S = (4.071 x %CaO)-(7.60 x %SiO2)-(4.479 x %Al2O3)-(2.859 x %Fe2O3)-
(2.852 x %SO3)– C3A = Cero
53 Quïmica del Cemento
Porqué Caracterización del Cemento?l EL CEMENTO NO ES HOMOGENEO
– Diferentes materiales crudos y fuentes – Diferentes técnicas de manufactura
l COMPOSICION NO REPRODUCIBLE – Difiere de lote a lote – Cemento no homogéneo – Diferentes clases manufacturadas – Procesos de manufactura en gran escala
l COMPOSICION CONTROLADA POR FABRICANTES – Schlumberger no está envuelto en procesos de control de calidad de cementos – Especificación API cubre un amplio rango de propiedades, etc.
l DIFERENTE RESPUESTA A ADITIVOS DE CEMENTACION – Naturaleza heterogénea y composición variante – Propiedades físicas inconsistentes (ejm. finura)– Fenómeno de envegecimiento
l CARACTERIZACION PARA UTILIZAR MEJOR EL CEMENTO Y ADITIVOS PARA UN MEJOR SERVICIO.
54 Quïmica del Cemento
Métodos de Caracterización del Cemento
l NATURALEZA QUIMICA – Mayor óxido (CaO. SiO2, Fe2O3, SO3, etc. )– Menor contenido de óxido (ZnO, P2O5, Mn2O3, etc. )– Soluble / Insoluble contenido alcalino – Mayor contenido de fase ( C3S, C2S, C4AF, C3A )– Menor contenido de fase (Yeso, calcita, etc.)
l NATURALEZA FISICA – Distribucion del tamaño de partícula – Area superficial específica (finura de Blaine)
l RESPUESTA A ADIVITOS DE CEMENTO – Retardadores– Dispersantes
l TESTS DE RENDIMIENTO API– Tiempo de bombeabilidad – Agua Libre – Esfuerzo Compresivo
55 Quïmica del Cemento
MAYORES OXIDOS: (Concentraciones típicas, %)
CaO SiO2 Fe2O3 Al2O3 MgO Na2O K2O SO3 Na2O64.1 21.2 5.2 3.7 1.5 0.17 0.49 2.19 0.49
Na2O = (0.658 x %K2O) + Na2OSegún API: - MgO < 6.0 %
- Na2 equiv. < 0.75 %- SO3 < 3.0 % (for Class G)
ZnO P2O5 Mn2O3 Cr2O3 TiO2 SrO0.03 0.15 0.08 0.01 0.21 0.08
<0.3 - 0.5 <0.3 - 0.5 <0.5 - 1.0 <0.3 - 0.5 <1.5 - 2.0 <0.5 - 1.0
La línea de abajo es el rango recomendado
MENORES OXIDOS: (Concentraciones típicas, %)
Caracter. del Cemento – Contenido de Oxido
56 Quïmica del Cemento
MAYORES FASES: (Concentración típica, %)
1. C 3 S, C 2 S, C 4 AF y C 3 A: Del método de Bogue 2. ( C 3 S + C 2 S ): Después de la extracción por ácido maleico en metanol
Para requerimientos API:- Cementos HSR: 48% < C 3 S < 65%, y C 3 A < 3%
C 4 AF + ( 2 x C 3 A ) < 24%- Cementos MSR: 48% < C 3 S < 58%, y C 3 A < 8%
C3S C2S C4AF C3A (C3S + C2S)
61.3 14.6 15.8 0.9 78.9
FASES MENORES: (Concentración típica, %)
Gypsum Hemi- Ca(OH)2 Sinergite CaCO3 Loss on Free Insol.Hydrates Ignition Lime Residue
1.39 1.22 0.72 0.40 0.72 1.05 0.73 0.53
Caract. Del Cemento – Composicion de Fase
57 Quïmica del Cemento
l PROPIEDADES FISICAS DE CEMENTOS PARA POZOS C e m e n t M e d i a n % F i n e s B E T A r e a B l a i n e A r e a S i l icate A l u m inate
T y p e D i a ( m m ) (< 1 m m ) (m 2 / g ) (cm 2 /g ) (%) (%)
1 ( A ) 20 .3 4.7 1.0 3400 54 46
2 ( G ) 24 .6 4.6 0.7 2900 43 57
3 ( H ) 25 .4 4.0 0.6 3000 53 47
4 ( H ) 24 .1 4.0 0.7 3040 82 18
Solamente para propósitos de comparación
Caracterización del Cemento – Propiedades Físicas