Sòlidos amorfos o vítreos vs cristalinos

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Tecnología del hormigón Página 1/6 
 
UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL 
Facultad Regional Santa Fe 
 
Cátedra: Tecnología del Hormigón - Ingeniería Civil 
Profesor: Ing. Ma. Fernanda Carrasco 
 
SOLIDOS AMORFOS O VÍTREOS VS. CRISTALINOS 
 
Este material es de utilidad y apoyo para las UNIDAD 2. MATERIALES 
CEMENTICIOS, UNIDAD 3. ROCAS Y AGREGADOS PARA HORMIGONES 
Y UNIDAD 9. DURABILIDAD. 
 
Como tuvieron oportunidad de estudiar en Tecnología de los Materiales, no sólo la 
composición de un material, sino también su estructura, influencian de manera 
significativa sus propiedades y su comportamiento. 
 
Al analizar el arreglo atómico se puede distinguir entre materiales que son amorfos 
(que carecen de un orden de largo alcance de los átomos o iones) o cristalinos (los 
que tienen arreglos geométricos periódicos de átomos o iones). Los materiales 
amorfos sólo tienen arreglos atómicos de corto alcance, mientras que los materiales 
cristalinos tienen arreglos de corto y largo alcance. En los arreglos atómicos de corto 
alcance, los átomos o los iones muestran determinado orden sólo dentro de distancias 
relativamente cortas. Los sólidos amorfos, como el vidrio y los caramelos, tienen una 
estructura desordenada al igual que los líquidos, pero debido a su alta viscosidad, no 
fluyen naturalmente. 
 
Para los materiales cristalinos, el orden atómico de largo alcance tiene la forma de 
átomos o iones ordenados en un arreglo tridimensional que se repite a lo largo de 
distancias mucho mayores (desde aproximadamente más de 100nm hasta algunos 
centímetros). Ejemplos de sólidos cristalinos son el cloruro de sodio, el diamante y el 
cuarzo (una forma cristalina de sílice). 
 
 
 
Fig. 1. Los niveles del arreglo atómico en los materiales: a) los gases inertes no tienen un orden regular 
en sus átomos. (b, c) algunos materiales, incluyendo el vapor de agua y el vidrio, tienen orden en una 
distancia muy corta. d) los metales y muchos sólidos tienen un orden regular de los átomos que se 
extiende por todo el material. 
 
 
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La cristalización es un proceso por el cual a partir de un gas, un líquido o 
una disolución, los iones, átomos o moléculas establecen enlaces hasta formar 
una red cristalina, la unidad básica de un cristal. 
 
En muchos casos la obtención de un sólido amorfo o cristalino depende de la 
velocidad con que se enfría el líquido del que provienen. En general, un enfriamiento 
lento produce sólidos cristalinos y uno rápido, uno amorfo. La diferencia puede 
imaginarse como debida a que en el enfriamiento lento las partículas que forman el 
sólido pueden reordenarse hasta ocupar sus posiciones más estables generando una 
estructura más ordenada. Por el contrario, cuando el líquido se enfría bruscamente, las 
partículas no pueden llegar a sus posiciones de equilibrio y la estructura resultante es 
desordenada. 
 
En los materiales cristalinos se obtienen estructuras de gran compacidad donde el 
empaquetamiento de los átomos maximiza el espacio ocupado y se produce un mayor 
número de conexiones entre los componentes. Por este motivo, presentan un mínimo 
nivel energético libre por lo que puede considerarse cercano a un estado de equilibrio. 
A diferencia de estos, en los materiales amorfos estas distancias entre átomos son 
variables y suelen ser mayores, por lo cual el estado amorfo es un estado 
metaestable, ya que no tiene la mínima energía libre. En un estado metaestable con 
cambio leve de energía se pueden producir modificaciones en el sistema, es decir, que 
pueden producirse reacciones con relativa facilidad. 
 
 
 
Cuarzo (sólido cristalino) Ópalo (sólido amorfo) 
 
Fig. 2. Sílice en estado cristalino y en estado amorfo. 
 
 
 
Implicancias para el cemento y su proceso de fabricación 
 
 
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El clínker sale del horno a aproximadamente 1300 °C y debe ser enfriado lo más 
rápido posible (hasta unos 200 °C), para mantener estables los compuestos reactivos 
formados durante la clinkerización. Este proceso se realiza en los enfriadores con una 
corriente de aire que pasa a través del clínker, produciendo el rápido descenso de la 
temperatura. 
 
 
 
Fig. 3. Esquema de enfriamiento del clinker. 
 
Los principales cambios que se dan en el sistema de enfriamiento son: 
1. Enfriamiento del clínker para solidificar la fase líquida entre 1300 °C – 1240 °C 
2. Cristalización final de la microestructura del clínker a < 1200 °C 
3. Enfriamiento del clínker en enfriador entre 1250 °C – 100 °C 
La rapidez del enfriamiento es crítica en la calidad del clínker y en el desempeño del 
cemento. El enfriamiento debe ser rápido para estabilizar los productos de 
clinkerización (C3S y C2S que son los que van a permitir que se desarrolle la 
resistencia en la pasta de cemento), de otra manera, si se hiciera lentamente se 
permitiría que se lleven a cabo una serie de reacciones reversibles, dando así 
compuestos indeseables. 
 
La velocidad de enfriamiento clinker influye en la relación entre la fase cristalina (C3S y 
C2S) y la fase vítrea del clinker (C3A y C4AF, celita). Al efectuarse un enfriamiento 
lento, casi todos los componentes cristalizan, mientras que el enfriamiento rápido frena 
la formación de cristales y, por ello, una parte del material que se funde en el horno se 
solidifica en estado amorfo (20 a 25 %). 
 
El enfriamiento rápido influye sobre el comportamiento del óxido de magnesio, que 
podría provocar problemas de expansión tardía. Cuanto más rápido es el enfriamiento 
del clinker, tanto menos numerosos serán los cristales de periclasa (óxido de 
magnesio) que hayan podido formarse en el material fundido. 
El enfriamiento rápido permite que se formen cristales de alita pequeños, con lo cual 
se eleva la resistencia de la pasta de cemento. 
 
 
 
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Fig. 4. Se muestra la belita (azul) bien distribuida 
entre la alita (naranja). El aluminato y la ferrita se 
ven banco/gris, y los poros se ven en negro. Vista 
de 0.2 mm. 
Fig. 5. Se muestra un clinker enfriado lentamente. 
Cristales bien formados de ferrite (blanco) y 
aluminato (gris) ocupan los espacios entre los 
silicato. La alita se descompone para producer 
belita. Vista de 0.08 mm. 
 
Implicancias para las adiciones minerales para el cemento 
El alto impacto medioambiental de las industrias del cemento y del hormigón ha 
generado un creciente interés en el mundo por el reciclaje de los desechos 
industriales. Por ejemplo, los cementos mezcla (compuestos) son producidos 
normalmente por la adición al cemento pórtland de diferentes cantidades de ceniza 
volante, humo de sílice, o escoria granulada de alto horno. Estos materiales en 
principio se incorporaron simplemente como reciclaje de desechos, sin tener en cuenta 
los beneficios que pudieran aportar a las propiedades del hormigón, especialmente en 
relación con su resistencia en algunos medios agresivos. 
 
La reactividad de las adiciones está íntimamente relacionada con la condición vítrea 
de su estructura y con su superficie de reacción (finura). Algunas de estas adiciones 
con gran reactividad permiten reemplazar porcentajes importantes de clinker para 
producir cemento. 
 
Las puzolanas de origen volcánico se forman por erupciones de carácter explosivo 
en las que el magma en fusión es proyectado a la atmósfera en pequeñas partículas 
que se enfrían rápidamente, dando lugar a las cenizas volcánicas que noalcanzan a 
desarrollar una estructura cristalina y quedan en estado mayoritariamente vítreo. 
 
El humo de sílice, también llamado microsílice, es un subproducto que resulta de la 
reducción a altas temperaturas del cuarzo con carbón en hornos de arco eléctrico, en 
la producción de silicio y aleaciones ferrosilicias. El humo de sílice asciende como 
vapor oxidado de los hornos a 2000 ºC, se enfría, se condensa en micro esferas y se 
recoge en filtros de manga. 
 
Las cenizas volantes, son residuos sólidos que resultan de la combustión del carbón 
pulverizado en las usinas termoeléctricas. En las usinas el carbón pasa por zonas de 
altas temperaturas, donde la materia volátil se desprende, el carbón se quema y las 
impurezas minerales se funden a temperaturas muy altas. La materia fundida es 
rápidamente transportada a zonas de bajas temperaturas donde solidifica en forma de 
partículas esféricas. 
 
La escoria de alto horno es un subproducto resultante de la separación de la ganga 
en el hierro durante el proceso de producción de arrabio. Debido a que las escorias 
 
 
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salen del horno a alta temperatura (1400 – 1500 °C) su enfriamiento brusco dificulta la 
cristalización, provocando que endurezcan de manera vítrea. 
 
 
Puzolana natural Cenizas volantes 
 
Escoria granulada de alto horno Humo de sílice 
 
Fig. 6. Microfotografías de adiciones minerales reactivas. Nótese que muchas de las partículas presentan 
estado amorfo o vítreo. 
 
 
Implicancias para los agregados para el hormigón 
El rol de los agregados en el hormigón se vincula, en general, con la estabilidad 
volumétrica, las propiedades térmicas, la reducción de las deformaciones asociadas a 
las variaciones de humedad y a las ocasionadas por las cargas permanentes, la 
resistencia y rigidez, y la economía. Además, los agregados generalmente son más 
durables y estables que el resto de los componentes del hormigón, contribuyendo a su 
durabilidad. 
La mayor parte de los agregados empleados en la fabricación de hormigón provienen 
de rocas ígneas, sedimentarias o metamórficas. 
Las rocas ígneas se forman cuando el magma (roca fundida) se enfría y se solidifica. 
Si el enfriamiento se produce lentamente bajo la superficie se forman rocas con 
cristales grandes denominadas rocas plutónicas o intrusivas, mientras que si el 
enfriamiento se produce rápidamente sobre la superficie, por ejemplo, tras una 
erupción volcánica, se forman rocas con cristales invisibles conocidas como rocas 
volcánicas o extrusivas. La mayor parte de los 700 tipos de rocas ígneas que se han 
descrito se han formado bajo la superficie de la corteza terrestre. Ejemplos de rocas 
ígneas son: la diorita, la riolita, el pórfido, el gabro, el basalto y el granito. 
 
 
 
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Fig. 7. El ciclo de las rocas. 
 
Las rocas ácidas de grano fino o de textura vidriosa pueden resultar vulnerables al 
ataque de los álcalis presentes en el hormigón o reacción álcali-sílice (RAS). En este 
tipo de reacción el material reactivo presente en los agregados se combina con los 
álcalis del hormigón provocando expansiones y fisuras en las estructuras de hormigón. 
 
 
Nota: 
Para la preparación del presente apunte de cátedra se han tomado como base las siguientes 
publicaciones: 
http://es.wikipedia.org/wiki/Estructura_cristalina 
https://chirinossilvaroger.files.wordpress.com/2012/05/cap3-110818174340-phpapp01.pdf 
http://es.slideshare.net/ignacioroldannogueras/materiales-estructura-slidos-cristalinos-y-amorfos 
http://solidoscristalinosyamorfos.blogspot.com.ar/ 
https://alojamientos.uva.es/guia_docente/uploads/2011/469/45757/1/Documento4.pdf 
http://es.wikipedia.org/wiki/Roca_%C3%ADgnea 
https://books.google.com.ar/books?id=pt20-
8Ey56YC&pg=PA265&lpg=PA265&dq=qu%C3%A9+pasa+si+el+clinker+no+se+enfr%C3%ADa+rapido&s
ource=bl&ots=WlDgSEdyJy&sig=oJPx18LItx3B6I7YHSJC4PnGRug&hl=es&sa=X&ei=vGIVVZSpO5XIsAT
d-
ICQAg&ved=0CC0Q6AEwAw#v=onepage&q=qu%C3%A9%20pasa%20si%20el%20clinker%20no%20se
%20enfr%C3%ADa%20rapido&f=false 
http://www.google.com.ar/imgres?imgurl=http://www.cementkilns.co.uk/images/grate_elem.jpg&imgrefurl=
http://www.cementkilns.co.uk/cooler_grate.html&h=445&w=478&tbnid=1c4C5IKiLDF4uM:&zoom=1&docid
=7Sbfk8jbyzYwWM&ei=nmMVVaSnNeK1sQTulILgCg&tbm=isch&ved=0CD8QMygaMBo 
http://www.osinergmin.gob.pe/newweb/pages/Publico/LV_files/Manual_Quimica_General.pdf 
“Ese Material llamado Hormigón”, Ed. N. G. Maldonado, M.F. Carrasco, Asociación Argentina de 
Tecnología del Hormigón. ISBN 978-987-21660-5-2, octubre 2012. 
http://www.cementkilns.co.uk/ckr_comp.html 
 
Santa Fe, Marzo 2015. 
http://es.wikipedia.org/wiki/Estructura_cristalina
https://chirinossilvaroger.files.wordpress.com/2012/05/cap3-110818174340-phpapp01.pdf
http://es.slideshare.net/ignacioroldannogueras/materiales-estructura-slidos-cristalinos-y-amorfos
http://solidoscristalinosyamorfos.blogspot.com.ar/
https://alojamientos.uva.es/guia_docente/uploads/2011/469/45757/1/Documento4.pdf
http://es.wikipedia.org/wiki/Roca_%C3%ADgnea
https://books.google.com.ar/books?id=pt20
http://www.google.com.ar/imgres?imgurl=http://www.cementkilns.co.uk/images/grate_elem.jpg&imgrefurl=
http://www.cementkilns.co.uk/cooler_grate.html&h=445&w=478&tbnid=1c4C5IKiLDF4uM:&zoom=1&docid
http://www.osinergmin.gob.pe/newweb/pages/Publico/LV_files/Manual_Quimica_General.pdf
http://www.cementkilns.co.uk/ckr_comp.html