Materiales cerámicos ligeros - Boletines Sociedad de Cerámica y
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Materiales cerámicos ligeros ANTONIO GARCIA VERDUCH Investigador Científico. RESUMEN Se revisan los métodos generales empleados para conseguir materiales cerámicos de bajo peso especifico aparente. Se pueden lograr estos materiales por: a) Eliminación de sustancias com^bustihles durante el proceso de cocción; b) Elección de una adecuada textura del material crudo; e) Producción y escape impedido de gases durante la cocción, y d) Utilización de materias primas porosas. Se describe después la formación de piezas cerámicas ligeras y de áridos ligeros susceptibles de ser empleados como aislantes granulados y como componentes no plásticos en masas cerámicas. SUMMARY A review is made of the general methods used in the production of lightweight ceramic materials. A low apparent specific weight can be achieved by. a) Burning of the carbonaceous matter added to the ceramic mixture; b) Proper use of the particle-packing concepts in the preparation of the mixture; c) Evolution of gases at high temperature which yields a vesiculate structure in the pyroplastic state, and; d) Using porous particles in making the mixture. The production of lightweight ceramic forms and lightweight granules are also described. The latter can be used as particulate insulating materials and also as non-plastic components in ceramic bodies. I.—Introducción. El objeto de estas breves líneas es tratar de esbozar la gama de materiales ligeros que pueden obtenerse por tratamiento térmico de sustancias minerales. Muchos de estos materiales no se obtienen por métodos típicamente cerámicos, pero su conocimiento debe interesar al ceramista, ya que en algunos casos la materia prima usada es la misma que se emplea en la fabricación de ladrillos y tejas de construcción. MARZO-ABRIL 1962 207 MATERIALES CERÁMICOS LIGEROS Hemos de dividir estos materiales en cuatro grupos claramente definidos: 1) Materiales que deben su porosidad a la eliminación de sustancias combustibles durante el proceso de cocción. 2) Materiales que deben su porosidad —después de cocidos— a una adecuada textura impuesta al material crudo. 3) Materiales que deben su porosidad al escape impedido de gases durante la cocción. 4) Materias primas naturales porosas. Los productos ligeros obtenidos —en su forma ñnal— pueden llegar al consumidor como: a) Productos terminados, de naturaleza típicamente cerámica (ladrillos de construcción, refractarios aislantes, etc.). b) Productos terminados, que pueden considerarse como derivados del cemento (bloques de hormigón obtenidos con áridos ligeros, hormigones celulados, etcétera). c) Áridos ligeros para aislamiento térmico en algunas estructuras. d) Productos especiales, como derivados del yeso, bien en piezas prefabricadas, o en forma de revestimientos aislantes. Vidrios celulados, usados por su valor aislante y decorativo, fibras de vidrio, piezas aislantes obtenidas con fibras y con los más variados productos. Dejamos a la imaginación del lector la enumeración de las numerosas aplicaciones de estos materiales, y señalaremos únicamente que en su uso se busca: a) Su valor como aislantes térmicos, con el consiguiente aumento del rendimiento de las instalaciones térmicas. b) Su valor como aislantes acústicos. c) Su ligereza, con el natural aligeramiento de las estructuras y el ahorro de materiales y gastos de transporte que ello entraña. d) Su valor estético en muchos de los materiales empleados. II.—Piezas cerámicas ligeras. El ceramista tiene tres caminos fundamentales para obtener piezas ligeras: a) Adicionar a su composición materias combustibles de naturaleza y granulometría adecuadas, para que se destruyan durante la cocción y dejen una red capilar más o menos desarrollada. b) Hacer sus piezas con mezclas de áridos ligeros y sustancias plásticas, que muy bien pueden ser de naturaleza arcillosa. El árido ligero aporta a la pieza una determinada proporción de poros. La sustancia plástica actúa como aglomerante. c) Hacer que sus piezas posean desde el principio —y mantengan después de la cocción— una textura muy abierta. Para ello es necesario manejar adecuadamente la granulometría empleada, y hacer buen uso de los conceptos de flocu2(},ß BOL. SOG. ESP. CERÁM., VOL. L - N.«* 4 ANTONIO GARCIA VERDUCH lación-defloculación. Al mismo tiempo se puede recurrir a artificios especiales como formación de "espuma", por dispersión de multitud de pequeñas burbujas gaseosas en el seno de la masa cuando aún no ha abandonado el estado plástico. El primer método es el conocido desde más antiguo, y por tanto el más ampliamente difundido. Consiste, como se ha indicado, en formar piezas cerámicas con mezclas de arcilla y sustancias combustibles, como finos de carbón, aserrín de madera, de corcho, cascarilla de arroz, etc. En algunos casos se han utilizado arcillas, esquistos o pizarras que, en estado natural, poseen sustancias combustibles. Es evidente que, en igualdad de condiciones, las piezas formadas con mayor cantidad de combustible presentarán una porosidad más elevada y una menor resistencia mecánica. Al dosificar la cantidad de combustible interno que se añade a la pieza, hay que tener presente la necesidad de llegar a un compromiso entre porosidad y resistencia mecánica. Tampoco hay que olvidar que en piezas obtenidas de este modo, y cocidas análogamente a los ladrillos normales de la misma arcilla, se obtiene una gran proporción de poros abiertos. Quizá no sea necesario insistir en que la cocción de piezas con combustible interno ha de verificarse en condiciones distintas de las empleadas en la cocción de piezas normales. Hay que tener presente la posibilidad de sobrecalefacciones locales y el peligro de iniciar el cierre por vitrificación del sistema capilar antes de lograr la eliminación total del combustible interno. Para decidir el programa térmico del horno y la naturaleza de la atmósfera en las distintas etapas de la cocción, hay que considerar la facilidad de combustión de la sustancia carbonosa añadida a las piezas y también su granulometría. Un combustible interno fácilmente oxidable y de tamaño grueso es más simple de eliminar que un combustible difícilmente oxidable y en estado de íntima mezcla con la sustancia arcillosa. La aireación interna de la pieza depende estrechamente de la naturaleza de su red capilar. En el segundo apartado hemos mencionado la formación de piezas cerámicas por mezcla de áridos ligeros, porosos, con arcilla plástica. Es evidente que gran parte de la porosidad final del producto es aportada por el árido añadido. Estos áridos pueden ser de naturaleza muy diversa: arcillas o esquistos expandidos, lavas volcánicas, vermicuUta expandida, etc. De ellos trataremos separadamente en los párrafos siguientes. Aquí debemos indicar solamente que mediante uña adecuada dosificación y granulometría de áridos y arcilla se pueden conseguir piezas muy ligeras y elevado contenido en porosidad cerrada. Esta es una característica que las distingue de las piezas con combustible interno cocidas en análogas condiciones. Los áridos añadidos cumplen también la función de desengrasantes de la masa y contribuyen a dar gran estabilidad dimensional a las piezas. MARZO-ABRIL 1962 2(?9 MATERIALES CERÁMICOS LIGEROS Ya se ha extendido mucho el uso de ladrillos aislantes de vermiculita. La vermiculita es un silicato de aluminio hidratado que proviene de la alteración de la flogopita y de la biotita. Tiene la singular propiedad de expandirse cuando se la calienta bruscamente a unos 800° C, aumentando su volumen unas 6-20 veces. La densidad aparente disminuye hasta valores de 0,1 y menos. Se pueden obtener ladrillos por extrusión de mezclas de vermiculita con 5-10 % de arcilla plástica. En algún caso se ha propuesto el empleo de otros aglomerantes inorgánicos, tales como bentonita o silicato de magnesio coloidal. Se obtienen piezas cuya densidad aparente oscila entre 0,3 y 1,0 y que tienen resistencias a la compresión que varían entre 5 y 50 Kg/cm^ Se han hecho incluso ensayos para vidriar estas piezas. Otro tipo de materiales aislantes bien conocido es el formado por el kieselgur y sus mezclas. Los ladrillos de kieselgur o tierra de infusorios se obtienen añadiendo a este material cantidades de arcilla que se aproximan a un 10 %. En algunos casos se han empleado aglomerantes especiales en menores proporciones. Las temperaturas de cocción oscilan entre 900 y LOOO"* C. Estos ladrillos tienen una densidad aparente de 0,5 g/cm^ una resistencia a la compresión en frío de unos 10 Kg/cm^ y una conductividad térmica a 500'' C de 0,13 Kcal/m^.h^C. En el tercero y último apartado se han incluido todos aquellos artificios no comprendidos en los dos primeros. No es ningún secreto para nadie que alterando la granulometría se pueden conseguir notables variaciones en la compacidad. Ahora bien, por simples variaciones de granulometría no se consiguen productos cerámicos de porosidad tal que los acredite como materiales ligeros. También es conocido el hecho de que la presencia de determinados electrolitos en la masa arcillosa puede producir texturas más abiertas. En algún caso se ha ensayado la formación de espumas estables de arcillas, que mantienen su carácter ligero a través del secado y la cocción. Es posible también que el método de emulsión indicado por la Fuel Research Station de Inglaterra para la solidificación de líquidos orgánicos pueda tener aplicación en la fabricación de materiales cerámicos ligeros. Ha sido empleado en la obtención de yesos y cementos ligeros, pero el autor aún no conoce ninguna aplicación cerámica del método. Para el caso de escayolas ligeras se ha sugerido el siguiente método : Mezclar 100 g. de escayola con 100 mi. de agua. Añadir tres gotas de ácido oleico y agitar hasta obtener una masa homogénea. Emulsionar en 160 mi. de benzol y verter en un molde para fraguar. Una vez fraguado, eliminar el agua y el benzol por evaporación. Se obtienen densidades aparentes que oscilan entre 0,5 y 0,025 g/cm^. Aunque de ningún interés cerámico, indicaremos a título de curiosidad solamente, que pueden obtenerse materiales extraordinariamente ligeros con arcillas montmorilloníticas por congelación de suspensiones y sublimación del hielo for2l() BOL. SOG. ESP. C£R\M., VOL. I. - N." 4 ANTONIO GARCÍA VERDUCH mado. Se dispersa en agua un 2-15 % de bentonita. Se centrifuga para eliminar las partículas gruesas que pudieran existir^ y después se congela la suspensión a unos 50° C. Por último, se sublima el hielo pasando aire frío y seco, o en alto vacío. Así se consigue obtener una estructura sólida análoga a la que forman las partículas de montmorillonita en estado de suspensión acuosa. Este material, patentado en Estados Unidos, tiene aplicación en adsorción y catálisis. IIÍ.—Áridos ligeros de arcillas y esquistos. Estos granulos expandidos de arcillas y esquistos encuentran aplicación en la formación de piezas cerámicas, de derivados del cemento y también como aislantes en estado granular. No es muy aventurado decir que la inmensa mayoría de las arcillas y de los esquistos son susceptibles de hincharse si se les aplica un tratamiento térmico adecuado. Se trata de un hinchamiento de la arcilla a alta temperatura, cuando la masa se halla en estado piroplástico. Si se desprenden gases en el interior de una pieza cerámica a una temperatura a la cual la red capilar ha sido cerrada por vidrio, y al mismo tiempo la pieza es fácilmente deformable por hallarse en estado piroplástico, dicha pieza sufre deformaciones y muestra claros signos de hinchamiento. Este es un defecto cerámico bien conocido por desgracia. Pero ahora, en el caso que nos ocupa, estamos tratando de observar la vertiente favorable de este fenómeno. Tratamos, en una palabra, de glorificar un defecto cerámico y de extraer de él conclusiones útiles para producir otros materiales. Una arcilla hinchada puede considerarse como un sólido celular de naturaleza esencialmente vitrea. Los poros cerrados contienen parte de los gases desprendidos durante el tratamiento térmico. Las tres condiciones esenciales que se requieren para que una arcilla se hinche son: a) la temperatura empleada debe ser suficientemente alta para permitir la formación de cantidades adecuadas de vidrio, h) Deben existir sustancias capaces de originar gases a la temperatura seleccionada para el hinchamiento. c) El tiempo debe ser suficientemente corto para evitar que se escapen los gases contenidos en los poros. Es bien conocido que durante la sinterización de una arcilla o de cualquier otro material pulverulento, la porosidad abierta disminuye al mismo tiempo que aumenta la porosidad cerrada. Este es especialmente el caso en las etapas más avanzadas del fenómeno de sinterización. La presencia de fases líquidas facilita la formación de poros cerrados. Si el componente que origina gases se descompone a temperaturas a las cuales aún no se ha iniciado la formación de vidrio, la probabilidad de existencia de MARZO-ABRIL 1962 2X1 MATERIALES CERÁMICOS LIGEROS poros-canales abiertos al exterior es muy grande y, por tanto, gran parte de esos gases tendrá oportunidad de escapar. En el caso contrario, es decir, cuando la reacción de formación de gases tiene lugar a temperaturas comparables a la de aparición de fase vitrea, gran cantidad de gas quedará ocluido. En ambos casos se supone que la temperatura de la probeta es homogénea. Si el calentamiento se prolonga durante un largo período, los gases tendrán oportunidad de reaccionar con el sólido o el vidrio, de disolverse o de difundirse, según la naturaleza del sistema considerado, pero en todos los casos se producirá una disminución de Ja porosidad. Cuando el calentamiento se hace en condiciones de no-equilibrio, es decir, cuando la temperatura superficial de la probeta es siempre considerablemente superior a la que existe en el interior, las condiciones son más favorables a la obtención de arcillas expandidas. La razón es que es posible fundir la arcilla en la superficie cuando en el interior aún se están originando gases. Los áridos ligeros empleados en la fabricación de materiales de construcción deben poseer, esencialmente, las siguientes propiedades: a) En primer lugar deben poseer suficiente ligereza. Un árido ligero no debe pesar más de la mitad del árido pesado al que sustituye. Dado que la grava tiene un peso específico aparente de unos 1.600 Kg/m^, el árido ligero no debe pasar de los 800 Kg/m^ b) Los áridos ligeros deben ser tan resistentes como sea posible. Para obtener un hormigón de resistencia dada, se requiere menos cemento si se emplea un árido resistente que si se emplea otro de menor resistencia. Ello supone, pues, un ahorro de coste y un aligeramiento de peso. Por otra parte, existen numerosas aplicaciones en las cuales no es permisible emplear áridos de baja resistencia mecánica. c) El árido ideal debe tener superficies lisas y formas preferentemente esféricas. La existencia de angulosidades hace que las mezclas de áridos con cemento o con arcilla den masas ásperas y difíciles de moldear. d) También se desea una baja capacidad de absorción de agua porque, al amasar el árido con el cemento, el árido que posee gran capacidad de absorción de agua tiende a deshidratar la masa, causando con ello un efecto nocivo sobre el fraguado del cemento. En caso de usar áridos absorbentes, se recomienda empaparlos en agua antes de amasarlos. Hay que hacer análogas observaciones cuando se trata de obtener piezas cerámicas con áridos y arcilla plástica. e) Es también importante para una buena trabajabilidad de las masas que los áridos posean una adecuada distribución de tamaños, e incluyan suficiente cantidad de finos. f) En los áridos ligeros no deben existir sustancias que tiendan a reaccionar con el cemento, afectando sus caracte'rísticas dé fraguado. 212 ß^^- ^°^' ^^P- CERÁM., VOL. I. - N.° 4 ANTONIO GARCIA VERDUCH g) Por Último, hay que señalar que el coste del árido es un factor importante que en muchos casos decide su aceptabilidad. El excedente de coste del árido ligero sobre la arena, grava u otros áridos densos debe ser compensado por una disminución de peso que permita ahorrar parte del hierro que intervenga en la estructura. Además, hay que tener presente la mejora que, con su uso, se produce en el aislamiento térmico y acústico. La razón de peso activo o eficaz a peso muerto de una obra puede hacerse más favorable con el uso de estos materiales ligeros. Ahora bien, no resulta económica la utilización de hormigones ligeros en la estructura de la obra porque la reducción en peso de dicha estructura no compensa el menor valor del módulo de Young que se obtiene con dichos hormigones ligeros. IV.—Vermiculita expandida. Las vermiculitas son silicoaluminatos de magnesio hidratados formados por alteración hidrotérmica de micas biotita y flogopita. Están asociadas a rocas básicas tales como dunitas, serpentinas y piroxenitas. Tienen aspecto micáceo y colores que oscilan entre marrón amarillento más o menos oscuro, al verde y al bronce. La característica más sobresaliente de las vermiculitas es su extraordinaria expansibilidad por tratamiento térmico. Por rápido calentamiento sufren un aumento de volumen, por exfoliación, que alcanza valores comprendidos entre 6 y 20 veces el volumen original. La composición química varía considerablemente de unas variedades a otras. Estudiando numerosos análisis de vermiculitas se ha llegado a deducir una composición media aproximada del tipo : 22 MgO . 5 AI2O3 . FCsOa . 22 SÍO2. 40 H2O. Cuando se calientan, se expanden liberando considerables cantidades de agua. Esta expansión o exfoliación parece consistir en una desintegración mecánica de las partículas provocada por la salida del vapor. Cuando el calentamiento tiene lugar en atmósfera oxidante, la vermiculita adquiere color marrón dorado y si prevalece la atmósfera reductora aparecen tonalidades plateadas. El punto de fusión es próximo a los 1.350° C. La vermiculita fue descrita por primera vez por T. H. Webb en el año 1824, y permaneció como curiosidad mineralógica hasta el año 1913, en que se descubrió el primer yacimiento explotable en el estado de Colorado, en los Estados Unidos. Hoy se conocen grandes yacimientos en otros lugares de los Estados Unidos y en países tales como Unión Sudafricana, Australia, Rusia, Japón, etc. La mayor parte de la vermiculita norteamericana se explota a cielo abierto y dinamitando relativamente poco. La vermiculita y la ganga, tal como se extraen, pasan a las qusbrantadoras que facilitan la separación de la ganga gruesa. Antes de seguir adelante es necesario secar el material para facilitar las subsiguientes MARZO-ABRIL 1962 213 MATERIALES CERÁMICOS LIGEROS operaciones de molienda y separación de tamaños. El secado —que puede hacerse en secaderos rotatorios— debe ser de corta duración y debe realizarse a temperaturas comprendidas entre lOO'' y 150° C. Hay que evitar que la temperatura suba demasiado y se elimine parte del agua combinada, porque ello disminuiría la posterior capacidad de expansión a temperaturas elevadas. El material seco pasa a los molinos de martillos y desde allí a los separadores de aire. Los concentrados obtenidos en los separadores son tamizados en tamices vibratorios y clasificados en cinco tamaños comerciales. La clasificación por tamaños tiene además el interés de facilitar la operación de expansión. Cuando se exfolia en el horno vermiculita de tamaños muy diversos, la exfoliación no es homogénea, y las partículas mayores no se expanden al máximo. Es muy frecuente que las plantas de preparación exporten el mineral debidamente clasificado en tamaños,, a las plantas de exfoliación situadas cerca de los lugares de consumo. La razón fundamental es el abaratamiento del transporte. No hay que olvidar que la vermiculita aumenta de volumen unas seis a veinte veces durante la exfoliación, y siendo un material tan ligero, el aprovechamiento de los medios de transporte es muy pobre. La vermiculita, por expansión, produce unos granulos porosos de aspecto de acordeón, que recuerda su anterior estructura micácea. Esta expansión se produce por calentamiento entre 870° y 1.100° C durante 4-8 segundos, seguido de un enfriamiento rápido. Este enfriamiento rápido imparte buenas propiedades mecánicas a las partículas. Si se expande la vermiculita a temperaturas demasiado altas, se elimina toda el agua combinada y el producto resulta frágil. La baja conductividad térmica de la vermiculita, su relativa refractariedad, su inalterabilidad y su bajo peso específico (de 95 a 130 Kg/m^) hacen que este material sea muy apreciado como aislante térmico y acústico. En forma granular se usa para aislamiento en paredes y techos de viviendas, edificios industriales, hornos, estufas, frigoríficas, etc. También se usa en el relleno de salvavidas, y como material de amortiguación en embalajes de explosivos. A título de curiosidad indicaremos que la industria cinematográfica emplea vermiculita expandida para simular tormentas de arena en el desierto, dado que su ligereza permite mantenerla en el aire con corrientes relativamente débiles. El uso más importante es sin duda el de árido ligero en la obtención de hormigones. Estos hormigones pesan unos 320-640 Kg/m^ y poseen una resistencia a la compresión de 3,5 a 17,5 Kg/cm^. También se emplea la vermiculita en la producción de ladrillos cerámicos ligeros y de piezas aislantes especiales para usos muy diversos. La industria del petróleo está empleando cantidades cada vez mayores de estos ladrillos en las paredes interiores de las unidades de cracking. También se emplea la vermiculita como aislante del sonido en automóviles y aviones. 214 BOL. SOC. ESP. CERAM., VOL. I. - N.° 4 ANTONIO GARCIA VERDUCH Una fábrica sudafricana de pinturas está utilizando vermiculita para conseguir coloraciones y efectos metálicos especiales. Parece e^tar comprobado que algunos esmaltes en los que interviene la vermiculita tratada poseen mayor resistencia al impacto que los esmaltes sin vermiculita. V.—Perlita expandida. Desde el punto de vista industrial, se define la perlita como cualquier lava silícea que contenga agua disuelta en cantidad suficiente para expandir la masa cuando se calienta rápidamente hasta una temperatura adecuada dentro del margen de reblandecimiento. Existen perlitas de composiciones muy variadas y, por ello, no es de extrañar que sus temperaturas de hinchamiento oscilen entre 870° C y 1.430° C. No interesa que el margen de cocción sea estrecho porque entonces el proceso de hinchamiento sería poco controlable. Si se calienta a la temperatura a que se inicia el reblandecimiento se obtiene muy poco hinchamiento y el producto es relativamente denso y de gran resistencia mecánica. La expansión es máxima a una determinada temperatura, y a partir de ella el vidrio se hace tan ñúido que deja escapar las burbujas gaseosas. Si se funde por completo, se elimina todo el gas y queda como producto final una escoria densa. La perlita expandida tiene algunas analogías con la piedra pómez. Las rocas que se incluyen en el grupo de la perlita se formaron por enfriamiento rápido de la lava fundida, en condiciones tales que la cristalización de los feldespatos y otros minerales fue difícil, y resultó un vidrio volcánico que puede o no retener todo su contenido en agua magmática. La piedra pómez es simplemente la espuma de la lava que se forma al alcanzar la superficie de la tierra y sufrir un descenso de presión. Parte del agua se elimina y parte queda retenida en las burbujas. La piedra pómez se ha usado desde hace muchos años como árido ligero en hormigones y en otros derivados. La similaridad entre perlita y pómez hace que ambas tengan análogos usos. El pómez se usa generalmente tal como lo ofrece la naturaleza y para disponer de distintas resistencias mecánicas y porosidades hay que utilizar distintas clases de pómez. La perlita, por el contrario, al ser expandida artificialmente, permite obtener el grado de resistencia y porosidad deseado. Hay que señalar, sin embargo, que la piedra pómez aún contiene residuos de agua y es por tanto susceptible de expandirse algo más por tratamiento térmico adecuado. También es posible, mediante este tratamiento, vitrificar su superficie y reducir su porosidad abierta. Esto es conveniente cuando ha de usarse como árido ligero en hormigones. MARZO-ABRIL Í962 215 MATERIALES CERÁMICOS LIGEROS Estas lavas silíceas son ticas en vidrios feldespáticos y se han empleado en composiciones cerámicas en sustitución de este componente. Los finos obtenidos en las plantas de expansión de perlita suelen ser aprovechados en la producción cerámica. Se han preparado ladrillos ligeros por elaboración cerámica de pastas de perlita expandida o pómez con arcillas plásticas. La perhta expandida, cuando aún se halla en estado piroplástico, puede prensarse para obtener piezas ligeras. En otros casos se ha mezclado la perlita o pómez con fundentes alcalinos y se ha cocido a alta temperatura para dar piezas aislantes. Hay que señalar que estos materiales son susceptibles de colorearse por pigmentos adecuados para dar piezas cerámicas de aspecto muy atractivo. El uso más extendido de la perlita es el de árido ligero en cementos, aunque también se ha empleado en composiciones de yesos y en otras muy diversas. El campo de los materiales ligeros inorgánicos no está agotado, ni mucho menos, con los productos que tan someramente acabamos de describir. A esta lista habría que añadir materiales de tanta importancia industrial como las escorias de hogares, es decir, residuos de la combustión del carbón, las escorias metalúrgicas expandidas artificialmente por procedimientos muy diversos, las fibras de vidrio, el vidrio celulado, las tierras diatomáceas, la sepiolita, el asbesto, etc. 216 BOL. SOG. E S P . CERÂM., VOL. 'NA 4
