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Revista ingeniería de construcción

versión On-line ISSN 0718-5073

Rev. ing. constr. vol.26 no.3 Santiago dic. 2011

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732011000300002 

Revista Ingeniería de Construcción Vol. 26 N°3, Diciembre de 2011 www.ing.puc.cl/ric PAG. 269-283

Influencia de la finura de molido del carbonato de calcio en las propiedades físico mecánicas y de durabilidad de los ladrillos de cerámica roja

 

Influence of grinding fineness of calcium carbonate on physic-chemical properties and durability on red ceramic bricks

 

Yosvany Díaz*1, Dania Betancourt*, Fernando Martirena*

* Universidad Central de las Villas. CUBA

Dirección para Correspondencia


RESUMEN

El trabajo hace un estudio de la influencia de la finura de molido del carbonato de calcio en las propiedades de Resistencia a la compresión, densidad, absorción y durabilidad de los ladrillos de cerámica roja, a través de la realización de ensayos físico- mecánicos y de envejecimiento acelerado, cuando este se adiciona por debajo del 10% en relación con el peso de la arcilla. Se demuestra que cuando dicho aditivo se muele hasta finuras entre las 72 m y 150 \1m, no se afectan las propiedades mencionadas anteriormente, sin embargo no ocurre así cuando es molido hasta un tamaño de partícula de 297 \1m. El estudio realizado, demuestra que con esta superficie específica, la adición de calcita afecta tanto las propiedades físico-mecánicas como de durabilidad de los ladrillos de cerámica roja.

Palabras Clave: Ladrillos cocidos, agentes fundentes, durabilidad, propiedades mecánicas, carbonato de calcio


1. Introducción 

El uso del carbonato de calcio como aditivo en la producción de ladrillos cocidos, ha sido estudiado por varios autores, (Cultrone et al., 2000; Jordan et al., 2001; Xavier, 2004) en estos casos, dicha adición, se reporta generalmente en grandes cantidades, para temperaturas de quema entre 900-1000°C. En estas condiciones hay que tener en cuenta los cambios que introduce la presencia de carbonatos en las propiedades mecánicas de los ladrillos, que consiste básicamente en reducción de resistencia y durabilidad.

También se ha reportado el uso del carbonato de calcio finamente molido en muy pequeñas adiciones (en un rango entre el 2-5%) (Betancourt et al., 2007) con el objetivo de mejorar la eficiencia energética del proceso de cocción sin afectar las propiedades del ladrillo de arcilla roja cocido. Se demuestra que la adición de cantidades de carbonato de calcio que oscilen entre el 2-5% de la masa de arcilla mejora la resistencia a compresión de los ladrillos a temperaturas cercanas a los 900°C, y tiempos de sinterización de 1-3 horas. Este efecto se atribuye a las modificaciones de las reacciones que se producen en las arcillas durante el tratamiento térmico por la presencia del mineral calcita, que permite que la sinterización ocurra a temperaturas más bajas en las arcillas estudiadas, que tienen composición mineralógica donde predomina el mineral motmorillonita. (Betancourt et al., 2007).

Se conoce que la finura de molido del carbonato de calcio influye en la velocidad de la reacción de descarbonatación que ocurre cuando este es sometido a temperaturas cercanas a los 900 °C, a partir del estudio y modelación matemática de la cinética de dicha reacción (García, 2005). Además de influir en la velocidad de la descarbonatación de la calcita, se ha estudiado que la superficie específica del carbonato de calcio adicionado a la arcilla influye en las propiedades finales del producto cerámico: Resistencia a la compresión, absorción de agua, porosidad del material, densidad entre otras, debido a que a menor superficie específica quedará en la masa del producto cerámico gran cantidad de CaO sin reaccionar y combinarse químicamente con la sílice y la alúmina presentes en las arcillas, este último, al entrar en contacto con el vapor de agua de la atmósfera se convierte en CaOH, esta reacción es expansiva y produce fisuras y grietas en los productos cerámicos afectando las propiedades físico mecánicas y de durabilidad de los mismos. (Cultrone et al., 2000; Cultrone, 2005).

El presente trabajo parte del principio de utilizar pequeñas dosis de carbonato de calcio (menos del 10% del peso de arcilla) como aditivo fundente en la fabricación de ladrillos cocidos con el objetivo principal de estudiar la influencia de la finura de molido en las propiedades físico-mecánicas y de durabilidad del ladrillo de cerámica roja, quemado a temperaturas entre los 800°C y 1000°C, con un tiempo de residencia en la combustión de 3 horas.

Se escogió para el trabajo investigativo este fundente y no otro; ya que para el caso de Cuba resulta muy viable su uso con este fin: es muy económico con respecto a otros fundentes, se encuentra disponible en el mercado de la construcción, por su excelente calidad en cuanto a pureza y composición química tanto para el que oferta el mercado como para el que se obtiene como residuos de las canteras tanto de piedra caliza como de mármol.

2. Discusión y desarrollo

El trabajo investigativo se desarrolló en dos partes: la primera consistió en el estudio a escala de laboratorio de la influencia de la finura de molido del carbonato de calcio adicionado a una arcilla común usada para hacer ladrillos, en las propiedades físico-mecánicas y de durabilidad en especímenes cilíndricos elaborados en el laboratorio y la segunda en la aplicación de los resultados de dicho estudio en la fabricación de ladrillos a escala real en una fábrica donde se producen tejas y ladrillos cocidos.

2.1 Organización de la experimentación

2.1.1 Trabajo experimental a escala de laboratorio

Para el estudio se uso una arcilla ordinaria con una composición muy heterogénea, procedente de la cantera de "La Mosa" ubicada en el municipio de Manicaragua en la provincia de Villa Clara. Los ensayos de rayos X a la arcilla indicaron que los minerales presentes en esta son motmorillonita y caolinita (los resultados del ensayo de rayos X a la arcilla usada en el experimento se muestran en la Figura 1). El carbonato de calcio de alta pureza procede de la cantera de Palenque en el municipio de Remedios en la provincia de Villa Clara. La Tabla 1 muestra la composición química de ambos materiales.

Figura 1. Resultados de la comparación de fases en arcilla natural y sedimentada

Tabla 1. Composición química de las materias primas

La arcilla seca fue mezclada con carbonato de calcio finamente molido a tres finuras diferentes: 297µm, 150µm y 72µm, la mezcla se elaboro en 2 proporciones: 5% y 8% de la masa total de arcilla. La masa fue humedecida entre un 8-10%, homogeneizada y moldeada en moldes cilíndricos de 3.1 cm de diámetro, que fueron sometidos a una presión de moldeo de 7 MPa. Las probetas cilíndricas del material se secaron a temperatura ambiente por 3-5 días, luego se sometieron a la cocción en un horno eléctrico. La Tabla 2 muestra toda la información sobre los especimenes fabricados.

El proceso de cocción se dividió en dos fases: a) La eliminación del agua combinada hasta los 400°C, y b) Alta temperatura de quema. Los especimenes se mantuvieron por 4 horas en la fase a) y 3 horas en la faseb) . Se usaron tres temperaturas de cocción: 800°C, 900°C y 1000° C en la fase b). La Figura 2 muestra los diferentes regímenes de cocción.

Tabla 2. Especímenes

Figura 2. Regímenes de temperatura, con tiempo de quema de 3 horas

 

Los especimenes producidos fueron sometidos a los siguientes ensayos:

1. Resistencia a la compresión.

2. Densidad.

3. Absorción de agua.

4. Ciclos de humedecimiento y secado.

5. Cristalización de sales.

Los resultados obtenidos por las muestras ensayadas para el caso de los ensayos físico-mecánicos se compararon con los que establece la Norma cubana: NC 359-2005, que certifica la calidad de los ladrillos estándar de cerámica roja. En cuanto al estudio de durabilidad que consistió en la realización de los ensayos de Cristalización de sales y Ciclos de humedecimiento y secado; tanto los procedimientos como la comparación de los resultados se llevaron a cabo de acuerdo a lo establecido por la norma española UNE 7-136-58.

2.1.2 Trabajo experimental a escala de producción real

A partir de los mejores resultados obtenidos en el laboratorio, la experimentación concluyó con la fabricación de ladrillos a escala real en una fábrica de cerámica roja cuya capacidad instalada es de 100000 ladrillos al mes. Los ladrillos con adición del 5% de carbonato de calcio finamente molido hasta una finura de 150 [1m, se quemaron en un horno discontinuo con capacidad para la cocción de 6800 ladrillos. Durante la quema se midió el tiempo de cocción, la temperatura y el consumo de combustible del horno y se tomaron muestras (ladrillos) con el objetivo de verificar la calidad del producto final a través de la realización de ensayos de resistencia a la compresión, densidad y absorción. El mismo procedimiento se llevó a cabo durante la cocción en ese mismo horno a ladrillos sin adición de carbonato de calcio, tomando esta quema como de control o patrón, con el objetivo de comparar los resultados de ambas quemas.

3. Discusión de los Resultados

3.1 Discusión de los resultados a escala de laboratorio

3.1.1 Propiedades físico- mecánicas

La Figura 3 muestra la relación entre la resistencia media a la compresión de los cilindros ensayados con la temperatura de cocción y la finura de molido del carbonato de calcio adicionado, que en este caso fue el 5%. Se ensayaron series de 9 especimenes, en los que se produjo una desviación estándar que osciló entre 0,25 - 0,55 MPa. Figura 3.

Figura 3. Gráfico de resistencia vs temperatura para las tres finuras de molido del carbonato de calcio. (5% de adición)

Tal y como se observa en la Figura 3, para las tres temperaturas de cocción los valores más altos de Resistencia a la compresión se obtienen con el tamaño de finura del carbonato de calcio de 150μm y 72 μm y es significativa la caída de resistencia de las probetas ensayadas para la finura de molido de 297μm.

Algo similar ocurre en el caso de la Densidad, a medida que aumenta la finura de molido del fundente, ocurre un aumento significativo de la densidad de las muestras y la diferencia significativa se manifiesta entre los las finuras 297μm y 150μm. (Figura n° 4).

La Figura 5 muestra el considerable aumento de la absorción de agua que ocurre cuando la finura de molido disminuye, se aprecia que los especimenes fabricados con finura de molido de 297μm para las temperaturas de cocción de 800°C y 900°C alcanzan el valor máximo de absorción de agua que establece la norma cubana NC 359-2005 para los ladrillos de cerámica roja cocida estándar. (18%). Al aumentar la temperatura hasta 1000°C, disminuyen considerablemente los valores de absorción para las tres finuras del aditivo, debido a que a esta temperatura y a la adición de calcita comienza la vitrificación del material y disminuye la cantidad de poros. (Betancourt et al., 2007). Figuras 4 y 5.

Figura 4. Gráfico de Densidad vs Temperatura para las tres finuras de molido del carbonato de calcio (5% de adición)

Figura 5. Gráfico de Absorción vs Temperatura para las tres finuras de molido del carbonato de calcio. (5% de adición)

Cuando el porciento de adición de calcita, aumenta de un 5% hasta un 8%, tanto la resistencia a compresión como la densidad decrecen para todas las muestras ensayadas, dicha caída se hace muy significativa para las fabricadas con finura de molido del aditivo de 297μm tal y como se muestra en las Figuras 6 y 7.

Al igual que para el 5% de adición, para el 8% se ensayaron series de 9 especimenes, los resultados obtenidos arrojaron una desviación estándar entre 0,33 y 0,50 para el caso de la resistencia a compresión y entre 0,33 y 0,55 para el ensayo de densidad.

Figura 6. Gráfico de resistencia vs temperatura para las tres finuras de molido del carbonato de calcio. (8% de adición)

Figura 7. Gráfico de densidad vs temperatura para las tres finuras de molido del carbonato de calcio. (8% de adición)

Para el caso del 8% de adición de calcita, la absorción de agua de los cilindros fabricados con una finura de molido de 297μm y quemados a 900°C y 1000°C, sobrepasa el valor máximo establecido por la norma cubana NC 359-2005 (18%).

Figura 8. Gráfico de Absorción vs Temperatura para las tres finuras de molido del carbonato de calcio. (8% de adición)

3.1.2 Discusión de los resultados del estudio de durabilidad

Los resultados obtenidos en los ensayos de Envejecimiento acelerado son consecuentes con los alcanzados en el estudio de las propiedades mecánicas. Para el caso de las probetas fabricadas con finura del aditivo de 297μm, todos los especímenes para las tres temperaturas de cocción estudiadas se destruyeron al pasar el primer ciclo de ambos ensayos debido a la presencia de gran cantidad de caliche en las muestras.

Muy diferente a ese comportamiento fue el mostrado por las probetas fabricadas con las finuras del carbonato de calcio de 150μm y 72μm, todos los especimenes resistieron los 15 ciclos de inmersión en Sulfato de sodio decahidratado al 14% en el caso del ensayo de Cristalización de sales y los 30 ciclos de Humedecimiento y secado establecidos para este ensayo.

En el estudio de Durabilidad, además de ensayar las probetas fabricadas con 5% y 8% de carbonato de calcio a las temperaturas mencionadas anteriormente, se fabricaron dos series de 9 probetas cada una con 0% de adición de calcita, las que se identifican en la Tabla 3 como MP-1 y MP-2, en el caso de la primera, las probetas se quemaron a 800°C y en el caso de la segunda a 900°C, con el objetivo de comparar el comportamiento de las series elaboradas con adición con las probetas fabricadas sin adición de calcita.

Tabla 3. Resultados de los ensayos de Envejecimiento acelerado

Tal y como se muestra en la tabla anterior, los cilindros fabricados con finura de molido de 150μm y 72μm mostraron un comportamiento excelente en ambos ensayos, muy similares a las elaboradas en iguales condiciones de fabricación sin adición de carbonato de calcio, excepto las muestras M-2 y M-8, debido a que en estas el porciento de adición el aditivo aumentó de un 5 a un 8%, el desempeño de ambas es ligeramente más deficiente que el resto de las muestras, incluyendo las patrones o series de control.

3.2 Discusión de los resultados de la cocción de los ladrillos a escala real (Horno discontinuo)

Después de haber realizado una quema a horno completo (6800 ladrillos con adición del 5% de carbonato de calcio) se demostró a escala de producción real que la finura de molido mínima para la adición de este a los ladrillos rojos en estas pequeñas dosis es la de 150μm, que no es necesario ni para que sea efectivo como fundente ni para que influya positivamente en las propiedades físico-mecánicas de este material moler el aditivo hasta una finura mayor, esto conllevaría a un gasto de energía en su molienda innecesario cuando su producción se realice masivamente en pequeñas, medianas y grandes industrias.

Como resultado de la medición de la temperatura, de la duración de la etapa de cocción y del consumo de combustible en el horno discontinuo, se obtuvieron las curvas de Temperatura vs Tiempo (Figura 9) para la quema con adición de carbonato y para la quema patrón o de control como se muestra en la Figura 10.

Debido a la adición del carbonato de calcio, el consumo de combustible del horno se redujo en un 21.5% con respecto a la quema patrón, la temperatura media experimentó una descenso de 80°C y el tiempo de residencia en la combustión disminuyó en 3.5 horas, demostrando su efectividad como fundente a las arcillas cuando esta se realiza en pequeñas cantidades.

Figura 9. Curvas de la etapa de cocción de ambas quemas

Figura 10. Consumo de combustible por etapas

A continuación se muestran los resultados de los ensayos de resistencia a la compresión, densidad y absorción realizados a los ladrillos extraídos del horno.

Tabla 4. Resultados del ensayo de Resistencia a la compresión para ladrillos con y sin adición de CaCO3

Tabla 5. Resultados del ensayo de Absorción para ladrillos con y sin adición de CaCO3

Tabla 6. Resultados del ensayo de Densidad para ladrillos con y sin adición de CaCO3

 

4. Conclusiones

1. Se demuestra que la finura del carbonato de calcio adicionado en muy pequeñas dosis y llevado hasta una finura de 297μm influye negativamente en las propiedades físico-mecánicas de los ladrillos de cerámica roja y que a partir de las 150μm comienza a ser beneficiosa para la calidad del material la adición de calcita en pequeñas cantidades (menos del 10% del peso de la arcilla).

2. No se aprecian diferencias significativas entre los resultados de los ensayos de Resistencia a la compresión, densidad y absorción mostrados por las series de probetas fabricadas con finuras de molido del aditivo de 150μm y 72μm para los dos porcientos de adición usados en el experimento.

3. Los resultados de los ensayos de envejecimiento acelerado coinciden con los obtenidos en el estudio de las propiedades mecánicas, los dos ensayos realizados en esta parte de la experimentación corroboraron que la finura de molido del carbonato de calcio cuando es adicionado en muy pequeñas dosis, influye negativamente en la durabilidad de los ladrillos de cerámica roja cuando es molido hasta una finura de 297μm, para este tamaño de partícula todas las muestras se desintegraron, mientras que los cilindros fabricados con finura de molido de 150μm y 72μm mostraron un comportamiento excelente en ambos ensayos.

4. Los resultados de los ensayos de calidad realizados a los ladrillos producidos a escala real quemados en el horno discontinuo y de la modelación de la etapa de cocción, confirman los obtenidos a escala de laboratorio y demuestran que la adición de carbonato de calcio puede ser una fuente de aumento de la eficiencia energética de la producción de este material.

 

5. Referencias

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E-mail: Yosvanyd@uclv.edu.cu

Fecha de recepción: 03/ 03/ 2011 Fecha de aceptación: 09/ 07/ 2011