ESTUDIO DE MATERIALES II - CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL CALES y YESOS - APUNTES DE CATEDRA - APUNTES DE CÁTEDRA - 2011 LABORATORIO DE ENSAYO DE MATERIALES DEPARTAMENTO DE CONSTRUCCIONES Y OBRAS CIVILES FACEyT- UNT CALES y YESOS ESTUDIO DE MATERIALES II - CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL FACEYT - UNT CALES Definición: La cal es un producto obtenido mediante la calcinación de rocas ricas en CaCO3 (Carbonato de calcio), que puede contener además MgCO3 (Carbonato de magnesio) y pequeñas cantidades de otras sustancia, designadas impurezas (arcillas, magnesia, hierro, azufre y materias orgánicas). El OCa (oxido de calcio) resultantes de la cocción de los carbonatos se llama cal viva, la que se hidrata con adición de agua, tomando el nombre de cal hidratada o apagada. Clasificación S/Composición Química S/Tipo de Fraguado Cales cálcicas cant. MgO < 7% Cales magnésicas cant. MgO > 7% Aéreas (fraguado solamente al aire) iv =0 a 0,1 Hidráulicas (fraguan aún bajo el agua) iv =0,16 a 0,50 Cales vivas En piedra En polvo Cales hidratadas o apagadas En polvo En pasta S/Hidratación Cal Viva De acuerdo al contenido de CaO y MgO la cal viva se agrupa en grasa, magra y magnésica o dolomítica. En efecto, la roca ideal seria aquella compuesta enteramente de CaCO 3 (carbono de calcio), que a 900ºC de temperatura mas o menos se desprendiera CO2 (anhídrido carbónico), originando CaO (oxido de calcio) o cal viva, pero los carbonatos que existen en la naturaleza son de distintos grados de pureza. 1 CALES y YESOS ESTUDIO DE MATERIALES II - CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL FACEYT - UNT CLASIFICACIÓN DE LAS CALES SEGÚN SU CONTENIDO DE CaO y MgO. Clases de cal. Cales grasas Comp Min. (%) CaO SiO Fe2O3 Al2O3 MgO H2O CO2 91.37 0.33 0.08 0.02 0.17 .036 0.20 Max. (%) 98.04 2.20 0.43 0.42 4.55 3.45 1.84 Med. (%) 94.98 0.81 0.23 0.22 1.39 1.66 0.83 Cales Magras Min. (%) Max. (%) 78.59 0.66 0.17 0.18 1.03 0.63 0.24 84.81 9.00 0.59 2.57 16.83 12.42 1.94 Calas Magnésicas Med. (%) 81.84 3.12 0.41 0.93 9.26 4.13 0.18 Min. (%) Max. (%) Med. (%) 55.80 0.14 0.19 0.14 31.61 0.55 .35 64.54 1.59 0.39 0.49 40.62 1.56 3.01 60.13 0.87 0.29 0.32 36.12 1.06 1.68 Elaboración En el proceso de fabricación podemos distinguir las siguientes etapas. 1) Extracción de la materia prima. 2) Trabajos previos a la cocción. 3) Cocción. La cocción o calcinación de la cal comprende tres fases: a) Evaporación del agua contenida a la piedra. b) Calentamiento de la caliza hasta la temperatura. requerida para la disociación química. c) Separación del dióxido de carbono. Proceso Endotérmico CO3Ca CO2 + (Carbonato de Ca.) (Calor) (Anhídrido Carbónico) CaO (Oxido de Calcio) CAL VIVA La temperatura de disociación del carbonato de calcio puro a presión de una atmósfera es de 898º C y la de disociación del carbonato de magnesio es algo menor. En general no conviene alcanzar temperaturas muy superiores, por que las impurezas contenidas desarrollan su actividad originando daño a la calidad de la cal. Por otra parte, debe cuidarse la salida de CO 2 (anhídrido carbónico), por que si ese gas no se elimina puede combinarse nuevamente con la cal y magnesia, originando nuevamente sus carbonatos. Este fenómeno se conoce como “Recarbonatación”. 2 CALES y YESOS ESTUDIO DE MATERIALES II - CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL FACEYT - UNT Hornos de cocción Existen distintos tipos de hornos para cocer la cal: hornos verticales de cuba, hornos anulares de Hoffman, hornos rotatorios, etc. Pueden ser continuos o intermitentes. El combustible empleado también es muy diverso: leña, carbón mineral, gas, etc. El rendimiento térmico depende del material, tipo de horno y muchos otros factores. Entre los hornos de mayor rendimiento térmico se pueden citar el horno Hoffman, el Dietzsch, etc. Que consumen alrededor de 130 kg de hulla, (8000 k cal por kg), para producir 1000 kg de cal. En los hornos intermitentes aéreos, que se usan en nuestro medio, el rendimiento es bajo, 100 kg de leña (4000 kcal por kg) por cada 100 kg de cal. Horno de campaña Horno vertical de cuba Hidratación o apagado La cal viva destinada para la ejecución de morteros a usarse en albañilería, debe ser mezclada previamente con agua formando una pasta. Esta operación se llama hidratación o “apagado” de la cal. La hidratación de la cal viva consiste en la adición de suficiente agua para la formación de hidróxido de calcio, operación que se expresa mediante la siguiente fórmula. 3 CALES y YESOS ESTUDIO DE MATERIALES II - CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL FACEYT - UNT CaO + (óxido de calcio) H2O (agua) Ca (OH)2 (desprende calor) (hidróxido de calcio) CAL HIDRATADA La formación de cal hidratada está acompañada de por un desarrollo considerable de calor y una expansión de 2,5 a 3 veces su volumen primitivo. Las cales magnésicas expanden menos y desarrollan menos calor que las grasas. La hidratación de las cales está acompañada del peligro de “quemarse”, debido al gran aumento de temperatura que se genera. La cal quemada parece ser químicamente inerte que no es apta para morteros. El quemado se evita asegurando el íntimo contacto entre cada partícula de cal con agua. Son necesarios un gran cuidado y un continuo mezclado El apagado de cales magras, magnésicas y muy magnésicas no presenta el peligro del quemado. Por el contrario, puede ocurrir con estas cales que el apagado no sea logrado totalmente. La cal puede clasificarse según el tiempo de apagado en: apagado lento (mayor o igual a 30 min.), apagado medio (de 5 a 30 min.) y apagado rápido (menor de 54 min.) Cuando se trate de una cal de apagado rápido, la misma debe añadirse al agua, y no el agua a la cal. Habrá que tener la suficiente agua para agregarla en el momento oportuno. Una cuidadosa vigilancia es indispensable, pues a la menor evaporación debe adicionarse agua a la mezcla. Para cales de hidratación media se añadirá el agua suficiente para semi inundarlas. Si hubiera indicios de evaporación, habrá que agregarle mas agua. En el caso de cales de apagado lento, basta con añadir agua en cantidad suficiente como para humedecerla enteramente y esperar hasta que la reacción comience. Pueden agregarse pequeñas cantidades de agua cuidando de no enfriar la masa, hasta obtener un completo apagado. Propiedades fundamentales Plasticidad: El término es usado para definir la cualidad de un mortero para extenderse y colocarse con facilidad al ser usado. Si dicho mortero se extiende fácil y suavemente, se dice que es plástico. En cambio si al alisarlo con una llana resulta quebradizo o friable, es decir poco trabajable, no es plástico. Las cales magnésicas producen morteros mas trabajables; Las cales grasas originan morteros friables. Para preparar un mortero se lo hace con cal y arena. La adición de arena puede disminuir y evitar la contracción que acompaña al fraguado y endurecimiento de la cal. Un mortero se elabora con 2 a 4 partes de arena por una parte de cal (en polvo o en pasta). Es muy importante establecer en cada caso la proporción de 4 CALES y YESOS ESTUDIO DE MATERIALES II - CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL FACEYT - UNT arena. En efecto, si se emplea poca arena, se genera una elevada contracción con los perjuicios que esto ocasiona al elemento que se está construyendo. Si se emplea arena en exceso, resulta un mortero magro, de poca trabajabilidad y resistencia. Capacidad de arena: Expresa el número de partes de arena que debe añadirse a una parte de cal para que un mortero resulte plástico y trabajable. Según las aplicaciones un mortero se prepara con 2 a 4 partes de arena por parte de cal. La experiencia demuestra que la cal grasa tiene mayor capacidad de arena. Rendimiento: El volumen de pasta de una definida consistencia que una dada cantidad de cal viva puede producir una vez apagada, se denomina rendimiento de la cal. Las cales grasas tienen mayor rendimiento que las magnésicas. Comúnmente entre 400 y 500 kg de cal viva producen 1 m3 de pasta, o sea que su rendimiento será de 2,5 litros a 2 litros por kg de cal viva. Dureza: La dureza de un mortero de cal está dada por la resistencia que presenta al impacto y desgaste o abrasión, teniendo gran importancia para usos en revoques. Ensayos comparativos demuestran que las cales magnésicas producen morteros mas duros. Tiempo de fraguado: El fraguado de la cal es un proceso físico – químico que consiste esencialmente en la evaporación del exceso de agua, seguido por la combinación gradual del hidróxido de calcio con dióxido de carbono seco, originando carbonato de calcio primitivo. Ca (OH)2 + CO2 CO3Ca + H2O La cal es por naturaleza de fraguado lento. Las cales magnésicas tienen fraguado mas lento. Puede aceptarse que el fraguado termina a los 6 meses. En ambientes secos y cargados de CO2 el fraguado se acelera. Contracción: En cuanto a la contracción durante el fraguado, es ligeramente compensada por la expansión desarrollada por la absorción de CO2 . La forma de evitar variaciones de volúmenes es la adición de arena. En general las cales magnésicas se contraen menos que las grasas. Resistencia a tracción y compresión: Las propiedades físicas de los morteros de cal varían con la composición química de los mismos, la cantidad y características de la arena, la cantidad de agua y las condiciones de fraguado. Se puede decir que las calles magnésicas dan morteros mas resistentes que los cales grasas. 5 CALES y YESOS ESTUDIO DE MATERIALES II - CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL FACEYT - UNT CAL HIDRÁULICA Es la cal parcialmente hidratada en polvo que además de solidificarse y fraguar en el aire, lo hace debajo del agua. Índice hidráulico: Es la relación en peso entre la sílice, más la alúmina, más el hierro a la cal más la magnesia. iv = SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 ---------------------------------CaO + MgO Vicat hizo una clasificación de los productos hidráulicos teniendo en cuenta dicho índice y el tiempo de fraguado. Cal Aérea Débilmente hidráulica Medianamente hidráulica Hidráulica normal Eminentemente hidráulica Cemento lento Cemento rápido iV Tiempo de fraguado en agua 0.00 – 0.10 0.10 – 0.16 0.16 – 0.31 0.31 – 0.42 0.42 – 0.50 0.50 – 0.65 0.65 – 1.20 Solo al aire 16 a 30 días 10 a 15 días 5 a 9 días 2 a 4 días 1 a 12 horas 5 a 15 min. 6 CALES y YESOS ESTUDIO DE MATERIALES II - CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL FACEYT - UNT YESOS Reseña histórica El yeso ha sido conocido y utilizado desde la más remota antigüedad, principalmente en los países secos. Las primeras noticias de empleo corresponden a Egipto, en las pirámides en el año 2800 antes de Cristo y en otros monumentos funerarios. Los árabes hicieron de él gran uso en la fabricación de los decorados. A pesar de su larga historia ha tenido poca fortuna en cuanto a su fabricación, que fue rudimentaria y poco económica, por lo que su utilización se vio limitada. A partir de la primera guerra mundial la industria yesera experimentó un considerable desarrollo, perfeccionando los métodos de fabricación. Naturaleza del yeso Se conocen tres formas principales del sistema sulfato cálcico – agua, que son: SO4Ca + 2 H O SO4Ca + ½ H O SO4Ca (dihidratado) (hemihidratado) (anhidrita) La roca, llamada piedra de yeso o algez se encuentra frecuentemente a la naturaleza y está formada por sulfato cálcico dihidratado Esta roca es la materia prima para la fabricación de yeso, que se obtiene por la deshidratación parcial. Sometida a temperaturas no mayores a 170ºC pierde 1½ molécula de agua, formando sulfato cálcico hemihidratado. Este yeso cocido y pulverizado, amasado con agua se rehidrata, formando de nuevo el dihidrato. Al amasar el yeso con agua, se obtiene una pasta plástica, que endurece rápidamente, proceso este que se llama fraguado. A temperaturas mas elevadas el dihidrato pierde toda el agua, formando la anhidrita soluble que es muy inestable y que pasa fácilmente a hemihidrato al absorber agua de la atmósfera. Si se eleva mas la temperatura se forma la anhidrita insoluble que es estable y no fragua si no se le agregan acelerantes o catalizadores. A temperaturas mayores, se forman yesos hidráulicos que requieren para su uso otros tratamientos. Se pueden clasificar los sucesivos estados del yeso, según temperaturas crecientes de deshidratación, de la manera siguiente: 1º Temperatura ambiente: SO4Ca + 2 H2O Bihidrato o algez 2º 128 – 180º C Formación de 2 SO4Ca + H2O Semihidrato 3º 180 – 300º C ,, SO4Ca . - Anhidrita soluble 4º 300 – 600º C ,, SO4Ca . - Anhidrita insoluble 5º 900 – 1000º C ,, SO4Ca . - yeso hidráulico 7 CALES y YESOS ESTUDIO DE MATERIALES II - CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL FACEYT - UNT 6º 1450º C Temperatura de fusión del yeso. Fabricación Como el yeso es un material barato, todas las operaciones de fabricación también deben ser baratas. Extracción de la piedra de yeso: Se hace por procedimientos corrientes, a cielo abierto o en galerías, según la disposición de la cantera, y como no es una roca dura, se emplean barrenos de pólvora negra o de mina, procurando que se fragmente con el objeto de reducir lo más posible la trituración. Trituración: Se emplean trituradoras de mandíbula, molinos de martillo, molinos de cono, etc. Trituradora de mandíbula Molino de martillo Molino de cono Deshidratación o cocción La cocción se realiza por diversos procedimientos, desde hornos rústicos o rudimentarios hasta sistemas muy controlados, de tipo continuo o discontinuo. Fijos En contacto con gases de Combustión. (cocción seca) Rudimentarios De Cuba colmena Rotatorios Hornos Sin contacto con gases de combustión (cocción saturada) Fijos De panadero Autoclaves Calderas Rotatorios 8 CALES y YESOS ESTUDIO DE MATERIALES II - CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL FACEYT - UNT Hornos de cocción Horno rudimentario Caldera Autoclave Horno rotativo de contacto indirecto Horno rotativo de contacto directo 9 CALES y YESOS ESTUDIO DE MATERIALES II - CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL FACEYT - UNT Molienda final: Una vez concluida la cocción se le practica una molienda hasta llevarlo a la finura adecuada para su utilización. Para ello se usan molinos de martillo, molinos giratorios o molinos desintegradores. MOLINOS GIRATORIOS MOLINOS DESINTEGRADORES Bibliografía: “Estudio de materiales” F. Arredondo “Materiales de construcción” F.Orus Elaboración del Apunte: Ing. Luis E. Leiva Revisión: Ing. Silvia B. Palazzi 10