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Guia de Estudio de La Materia de Materiales Ceramicos Unidad Ii
Guia de Estudio de La Materia de Materiales Ceramicos Unidad Ii
Guia de Estudio de La Materia de Materiales Ceramicos Unidad Ii
DE MATERIALES CERAMICOS
UNIDAD No. 2: MATERIAS PRIMAS.
OBJETIVO DE APRENDIZAJE: Analizará las propiedades físicas, mecánicas y reológicas de los materiales
cerámicos mediante su caracterización y como influyen en el producto terminado.
Las fuentes de arcilla pueden provenir de bancos de suelos arcillosos, o de rocas constituidas por suelos
arcillosos como la lutita. En el primer caso el material es fácil de obtener por métodos convencionales de
excavación, disgregación y cernido, en el segundo la extracción de la arcilla depende de la dureza de la roca
sedimentaria, pudiendo requerirse de la desintegración del material por medio de explosivos, después se le daría
una trituración, una molienda y un cernido.
Además del agua, y especialmente en la fabricación de cerámica rústica (tabique de campo, teja y otros) se
hace uso frecuentemente de materiales desgrasantes como: polvo de pedacería de tabique, arena cuarzosa y
aserrín para disminuir un poco la plasticidad de las mezclas, realizar un buen moldeado de las piezas y facilitar
la cocción del producto.
Materiales que conforman los Cerámicos:
ARCILLA
Desde el punto de vista petrológico la arcilla es una roca sedimentaria, en la mayor parte de los casos de
origen detrítico, con características bien definidas. Para un sedimentólogo, arcilla es un término
granulométrico, que abarca los sedimentos con un tamaño de grano inferior a 2 mm.
Para un ceramista una arcilla es un material natural que cuando se mezcla con agua en la cantidad
adecuada se convierte en una pasta plástica. Desde el punto de vista económico las arcillas son un grupo
de minerales industriales con diferentes características mineralógicas y genéticas y con distintas
propiedades tecnológicas y aplicaciones.
Por tanto, el término arcilla no sólo tiene connotaciones mineralógicas, sino también de tamaño de
partícula, en este sentido se consideran arcillas todas las fracciones con un tamaño de grano inferior a 2 mm.
Según esto todos los filosilicatos pueden considerarse verdaderas arcillas si se encuentran dentro de dicho rango
de tamaños, incluso minerales no pertenecientes al grupo de los filosilicatos (cuarzo, feldespatos, etc.) pueden
ser considerados partículas arcillosas cuando están incluidos en un sedimento arcilloso y sus tamaños no
superan las 2 mm.
Las arcillas son constituyentes esenciales de gran parte de los suelos y sedimentos debido a que son, en su
mayor parte, productos finales de la meteorización de los silicatos que, formados a mayores presiones y
temperaturas, en el medio exógeno se hidrolizan.
AGUA ZEOLÍTICA: Forma parte de la estructura cristalina.
Estructura Laminar, material muy impermeable. Cuando el agua forma parte de ella, la estructura
cambia. Si miramos una laminita de su estructura tenemos:
A éstos le pasa que el agua se mete entre la estructura de la arcilla. La álcali aparece porque el sílice y el
aluminio se Intercambian. Estas arcillas no se usan para cerámicas.
ARCILLAS DIFÓRMICAS: Ilita, Caolinita (materias primas, materias más puras). Estados de
consistencia, para medir los suelos. Conforme más alúmina tenga mi materia prima, puedo hacer
ladrillos refractarios. Ya que la alúmina eleva el punto de fusión (capacidad de aguantar el choque
térmico es con óxido de magnesio) es capaz de amortiguar esos cambios bruscos de temperatura. Otros
componentes fundamentales: añadidos en función de lo que queramos.
FUNDENTES: Es un producto que adiciono para que baje la temperatura de fusión, baja la temperatura
del horno. Pueden ser:
Carbonato Cálcico: es peligros porque se puede convertir en Oca. El ladrillo se queda con
nódulos de Oca Caliche al unirse con el agua: Oca + H2O = Ca(OH), exotérmica y expansiva, el
caliche pasa solo con la humedad del aire. Éste sale al año como mucho, tener cuidado no se
permite con el ladrillo visto. En las tejas no se permiten caliches, los caliches merman las
propiedades pero en tabaquería esto no tiene importancia.
Óxido de Hierro.
Feldespato.
DESGRASANTE: Quitan plasticidad a la arcilla, por ejemplo la arena, la chamota (ladrillo roto y
finamente molido), escoria granulada, cenizas volantes,... cualquier material que no reacciones con la
materia prima.
PLASTIFICANTES: Arcillas poco plásticas. Bentonita. Arcillas trifórmicas arcilla más plástica.
Cualquier sustancia que sea termoáctiva, que tenga la capacidad de moldearse con energía.
2.1.1. Materiales plásticos
Las arcillas son eminentemente plásticas. Esta propiedad se debe a que el agua forma una envuelta sobre
las partículas laminares produciendo un efecto lubricante que facilita el deslizamiento de unas partículas sobre
otras cuando se ejerce un esfuerzo sobre ellas. Podríamos hablar teniendo en cuenta una de las propiedades de la
arcilla como es la plasticidad de dos tipos: las arcillas plásticas y las antiplásticas.
Generalmente, esta plasticidad puede ser cuantificada mediante la determinación de los índices de
Atterberg (Límite Líquido, Límite Plástico y Límite de Retracción). Estos límites marcan una separación
arbitraria entre los cuatro estados o modos de comportamiento de un suelo sólido, semisólido, plástico y
semilíquido o viscoso.
La relación existente entre el límite líquido y el índice de plasticidad ofrece una gran información sobre la
composición granulométrica, comportamiento, naturaleza y calidad de la arcilla. Existe una gran variación entre
los límites de Atterberg de diferentes minerales de la arcilla, e incluso para un mismo mineral arcilloso, en
función del catión de cambio. En gran parte, esta variación se debe a la diferencia en el tamaño de partícula y al
grado de perfección del cristal. En general, cuanto más pequeñas son las partículas y más imperfecta su
estructura, más plástico es el material.
Arcillas Plásticas
Por sus propiedades, se contraponen al caolín dado que poseen un mayor contenido en hierro, son más
fusibles, más plásticas y su grano es más fino. Es por ello que se puede decir que son complementarias y a
menudo se combinan para crear una arcilla más trabajable.
Se trata de una arcilla secundaria, mezclada a menudo capas de carbón y otros tipos de arcilla. Es
altamente plástica y aunque no es tan pura como el caolín está relativamente libre de hierro y otras impurezas,
cociéndose a un color gris claro o anteado claro debido a la presencia de material carbonoso.
Éstas poseen un elevado grado de contracción, que puede llegar hasta a un 20%. En la fabricación de
cerámica blanca, este tipo de arcilla se hace indispensable para aumentar la falta de plasticidad del caolín,
aunque no puede añadirse más del 15% puesto que se traduciría en un color gris o anteado, disminuyendo así su
traslucidez.
Arcillas Refractarias
Esta arcilla no es un tipo propiamente dicho dado que se refiere a la resistencia al calor de las arcillas en
general independientemente del color y plasticidad. Cualquier arcilla que resista la fusión hasta alrededor de los
1.500ºC puede considerarse como una arcilla refractaria, lo que significa que es relativamente pura y libre de
hierro. Estas arcillas son útiles para gran variedad de productos, principalmente en la fabricación de ladrillos
refractarios y otras piezas para hornos, estufas, calderas, etc. También son utilizadas como aditivos para las
pastas de loza o las pastas para gacetas en los que se quiera aumentar la refractariedad.
Las gacetas son cajas de arcilla en las cuales se cuecen las piezas para protegerlas del calor y la llama
directa del horno. Por tanto esta arcilla debe ser bastante refractaria, plástica para ser conformada por modelado
y formar un cuerpo denso una vez cocida, para ser resistente a la fatiga producida por las continuadas cocciones.
Normalmente se cuecen a un color gris-anteado claro y se usan frecuentemente como aditivo en las pastas para
loza y barro cocido.
Las arcillas para loza son arcillas secundarias y plásticas que se funden a 1.200-1.300ºC. Su color de
cocción va desde un gris claro a un gris oscuro o marrón. Cambian mucho de color, plasticidad y temperatura
de cocción sin haber una distinción clara entre arcilla refractaria, de gacetas o para loza. La distinción se suele
basar según el uso que se haga de la arcilla más que por su naturaleza química o física. Esta puede presentar un
grado óptimo de plasticidad así como de cocción o puede mejorarse añadiendo feldespato y arcilla de bola para
ajustar su temperatura y plasticidad.
Son muy corrientes y suelen contener hierro y otras impurezas minerales por lo que su grado de cocción es
de 950-1.100ºC. En bruto esta arcilla es roja, marrón, verdosa o gris por la presencia del óxido de hierro, y tras
su cocción puede variar de color. Se trata de la materia común para los ladrillos, baldosas, tubos de drenaje y
tejas. La arcilla roja comun por sí sola es demasiado plástica, llegando a ser pegajosa, aunque a veces contiene
arena u otros fragmentos pétreos que dificultan su plasticidad. Nos encontramos gran cantidad de esta arcilla en
la superficie de la tierra, aunque a veces es inutilizable debido a su gran contenido en calcita o sales alcalinas
solubles. La arcilla azul contiene mucha cal y se trata de la arcilla más plástica de todas al natural. Estando
mojada tiene un color azul grisáceo que al cocerse se convierte en un color amarillento. Hay quien opina de ella
que no es la arcilla ideal debido a que no tiene carácter suficiente y por su falta de color.
2.1.2. Materiales no plásticos
Arcillas antiplásticas: que confieren a la pasta una determinada estructura, que pueden ser químicamente
inertes en la masa ó crear una vitrificación en altas temperaturas (fundentes)
La tierra para adobes: Se trata de una arcilla superficial adecuada para hacer adobes o ladrillos secados al
sol. Casi no tiene plasticidad y contiene un alto porcentaje de arena.
Arcilla apedernalada: Es una arcilla refractaria que ha sido compactada en una masa relativamente dura,
densa, parecida a la roca.
El esquisto: Es una roca metamórfica formada por la naturaleza a partir de la arcilla sedimentaria, con
poca plasticidad a menos que se pulverice finamente y se deje humedecer durante largo tiempo. Puede utilizarse
como aditivo o como principal ingrediente para ladrillos y otros productos pesados de arcilla.
La bentonita: Es una arcilla de origen volcánico. Aunque su composición química es parecida a la arcilla,
su naturaleza física difiere en que tiene más material coloidal. Se utiliza para dar plasticidad a las pastas de
arcilla y como emulsionante en los vidriados. No puede utilizarse por sí sola debido a su tendencia a hincharse
cuando se humedece y por su pegajosidad y contracción elevada.
Arcilla para terracota: Arcilla de cocción a bajo fuego que puede utilizarse en la fabricación de grandes
piezas de terracota. Tiene un grano grueso que permite un secado rápido y uniforme.
La bauxita o diaspora: Poseen un alto contenido en alúmina. Pueden ser altamente refractarias y se usan
como materia prima para la producción de aluminio metálico.
El gumbo: Es una arcilla superficial o del suelo, muy plástica y pegajosa que contiene una cantidad
considerable de materia orgánica.
La Greda: Arcilla de quema blanca y poca plasticidad. En el comercio se encuentra en forma de polvo o
grumos que una vez se haya sedimentado se emplean como engobes sobre cacharros de barro.
Ocre, umbra y siena: Arcillas con gran contenido de combinaciones férreas y de manganeso que puede
variar por ello es aconsejable efectuar ensayos previamente. Se pueden emplear para colorear algunos tipos de
vidrio.
Para cualquier uso de la arcilla primero se le debe dar un tratamiento determinado dependiendo del uso
que se le quiera dar. Por ejemplo en la cerámica se le combina o mezcla distintos tipos de arcillas, fundentes, y
otros elementos dependiendo directamente en el uso al que se vaya a destinar la que se vaya a destinar la
mezcla.
Es utilizada en la producción de aislantes eléctricos puesto que no transmiten la electricidad (para esto se
utilizan arcillas que no contengan óxidos de hierro.) Dentro del campo de la construcción, la arcilla no es
utilizada directamente sino más bien se la usa en la fabricación de baldosas, ladrillos, sanitarios, tejas, y en la
mezcla de las pinturas, etc.
La arcilla también es utilizada dentro del campo de la odontología para la fabricación de réplicas de
dientes y elaboración de dentífrico bucal aunque en muy reducidas proporciones. La arcilla es uno de los
principales componentes de los adobes ( tierra arcillosa.) Es muy utilizada en la fabricación de elementos
decorativos, para fabricar vajillas, elementos aislantes de temperatura y en una gran variedad de elementos de
alfarería.
Minerales no arcillosos más habituales en las arcillas de interés cerámico
Los minerales no arcillosos más comunes en las arcillas de interés cerámico se muestran listados en la tabla
siguiente:
- Aumenta la refractariedad (en pastas cocidas a menos de 1.000 ºC suele ser inerte).
- Reduce la plasticidad y la contracción en secado.
- Aumenta el coeficiente de dilatación.
- Reduce la resistencia mecánica en crudo y en seco.
- Reduce la contracción y aumenta la porosidad en cocido.
Carbonatos
Después del cuarzo, los carbonatos, en particular el de calcio (Ca(CO3)), son los minerales no arcillosos
más comunes en las arcillas de interés cerámico. La caliza y el carbonato de magnesio son muy poco solubles en
agua. No obstante, en muchas formaciones de arcilla, la caliza se halla formando nódulos (caliche) cuyas
consecuencias son nefastas en la fabricación de los materiales cerámicos.
El comportamiento cerámico del carbonato cálcico depende de la granulometría de éste. Si el tamaño es
fino, como acontece cuando el carbonato se ha formado a la par que el mineral de arcilla, durante la cocción
forma fases estables resistentes y este tipo de arcilla es, con frecuencia muy buscado. En cambio en pastas
gresificadas o vitrificadas debe evitarse. En forma de nódulos siempre es perjudicial.
CARBONATOS
- Mantienen la contracción en valores muy bajos.
- Confieren un elevado coeficiente de dilatación.
- Proporcionan un amplio margen de cocción.
- Las partículas de grano grueso constituyen el caliche.
La tabla siguiente muestra una composición típica de carbonato cálcico empleada para la fabricación de
esmalte y para pinturas de alta calidad basadas. Cuando el 95% del material tiene un tamaño inferior a 3,0 mm,
la superficie específica se acerca a los 11 m2/g.
CaCO3 98,96
MgCO3 0,59
Al2O3 0,045
Fe2O3 0,044
Sn <0,001
Pb <0,001
Cd <0,0001
Mn 0,0041
Cu <0,0001
SiO2 0,12
Pérdida al fuego 43,3
Los minerales que se citan seguidamente no necesariamente están presentes en las arcillas aunque algunos
de ellos sí lo están frecuentemente. De ellos, los más frecuentes son los óxidos de metales, básicamente los
cromóforos, entre los cuales y destaca el óxido de hierro. En segundo lugar deben destacarse las sales solubles,
de las que se analizarán con extensión en el próximo capítulo. En menor escala, y por tratarse de una sal
débilmente soluble se debe citar el sulfato cálcico (yeso).
2.2. Caracterización de materias primas
La arcilla es un tipo de roca natural sedimentaria. Proviene de la descomposición de las rocas feldespato,
siendo un silicato alumínico hidratado. Puede ser un elemento suelto o puede estar formando una masa en
estado sólido, puede ser coherente o incoherente. Es un material terroso de grano generalmente fino y capas de
convertirse en una masa plástica al mezclarse con cierta cantidad de agua.
Conserva su forma inicial después del secado, adquiriendo a la ves la suficiente dureza par ser manejada. La
Arcilla no se transforma en cerámica hasta que toda el agua que contiene de manera natural y química se
elimina por el calor; cuando esto sucede al cocerlo en el horno, el producto que resulta posee una dureza y un
estado inalterable a veces incluso mayor que el de algunas clases de piedra.
Características de la arcilla
Clasificación
Cada una de las propiedades de la Arcilla puede dar lugar a una clasificación distinta. Así pues, puede
clasificarse según su color, su temperatura de cocción, sus propiedades plásticas, su porosidad después de la
cocción, su composición química, etc.
Tierras Arcillosas; se vuelven vidriosas incluso a 900°C, contiene elevados porcentajes de partículas
silicuas o calizas.
Arcillas comunes; son fusibles y se usan a temperatura comprendidas entre 900 y 1050°C. Contienes
grandes cantidades de Carbonato Cálsico y Óxidos de Hierro.
Arcillas para losa: se usan hasta temperaturas de 1250°C, casi no contiene impurezas y contiene más de
25% de caolinita.
Arcillas para gres: funde a temperaturas elevadas, pero sintetizan y compactan a temperaturas inferiores,
originando productos de nula porosidad y vitrificados.
Arcillas para porcelana: tienen un punto de vitrificación muy elevado por lo que se añaden un número
elevado de fundentes.
Arcillas primarias: son aquellas que se encuentran en el mismo lugar de su formación. Por lo general
solo podemos considerar, arcillas primarias, a los caolines.
Arcillas secundarias o sedimentarias: son aquellas que no se encuentran en el lugar de formación por
haber sido arrastradas y posteriormente sedimentadas. Estas Arcillas por lo general, están impurificadas
con materiales muy diversos, lo que produce la gran diversidad de Arcillas que puedan encontrarse.
Según su trabajabilidad:
Arcillas grasas: Son arcillas impuras de colores entre café, grises, rojizos o amarillentos, se encuentran
formando capas y se las conoce como ceraturo o tierra arcillosa
Magras: Son arcillas muy puras y duras lo que les hace difíciles de trabajar y dar forma. Se las conoce
como Caolín, material de color blanco y al que se le ve como una sola masa y sirve para trabajos
eminentemente de cerámica.
Arcillas bituminosas: son de color negro, gris o azulado debido al alto contenido de substancias
orgánicas.
Caolines: son de coloro blanco, amarillento o ligeramente azulado. Se adhieren mucho a la lengua y con
agua forman una masa moldeable pero que no se adhiere a los objetos en contacto con ella.
Arcillas emécticas: Son aquellas que se diferencian de los caolines en que con agua forman una masa no
moldeable y absorben con gran avidez las grasas y aceites.
Arcillas plásticas: sonde color amarillento o pardo. Tienen tacto graso y se pulimentan con la uña. Con
agua forman una masa muy plástica, permitiendo incluso la formación de anillos a partir de pequeñas
barras cilíndricas. En su composición puede haber algo de arena o mica e hidróxido férrico.
Arcillas limosas: son de color amarillo o pardo, se adhieren a la lengua pero no tienen tacto graso, ni
pueden pulimentarse ni son lo suficientemente plásticas como para poder formar anillos sin romperse.
Loess: son de colores grises y amarillentos. Se adhieren a la lengua. No son muy trabajables. Tienen alto
contenido en compuestos de hierro y algo de cal. Sus partículas son de grano muy fino.
Arcillas Figulinas: Actualmente se tiende a incluirlas con las arcillas plásticas, ya que su única diferencia
es un mayor contenido en cal y hierro, son menos plásticas, sus particulas son de granos muy finos.
Magras: Son de color variable como gris, verdoso, amarillento, etc. Se adhieren a la lengua y contienen
gran cantidad de caliza. Las verdaderas magras no rayan el vidrio. Son fusibles y se reconocen por la
efervescencia que se produce al agregarse algunas gotas de ácido.
Gredas: son de color variado, generalmente blanco. Se adhieren a la lengua, son de grano bastante grueso
y contienen un alto porcentaje de cuarzo.
2.2.1. Forma y tamaño de partícula.
Las arcillas son materiales naturales que definen a un producto de intemperización de grano muy fino y
terroso que genera plasticidad cuando se mezcla con una cantidad limitada de agua.
Están constituidos principalmente por especies llamadas minerales arcillosos, cuyo tamaño de partícula
puede variar entre 2 y 4mm formando estructuras en hojas o capas bien definidas compuestas de hojas
tetraédricas de óxidos de silicio y hojas octaédricas de hidróxidos de aluminio o magnesio.
La manera como las hojas tetraédricas y octaédricas se acomodan entre sí, siguiendo un ordenamiento
específico, permite la clasificación de este tipo de minerales, siendo las bentonitas (esmectitas) uno de los
grupos arcillosos más importantes, reconociéndose cinco tipos de especies: montmorillonita, beidellita,
nontronita, saponita y hectorita.
La estructura y el pequeño tamaño de partícula son las características responsables de las propiedades
típicas de estos materiales como son la plasticidad, capacidad de adsorción y de intercambio iónico y alta
superficie específica, entre otras, por lo que las arcillas se han utilizado en áreas tan importantes como la
cerámica, la industria de la construcción y el papel, farmacéutica, agricultura, cosmetología y catálisis.
El tipo de estructura describe la forma. Se reconocen siete tipos de estructuras, sólo cuatro tiposson las más
comunes. Estos se clasifican del 1 al 4, de la forma siguiente:
4 Estructura laminar:
Se compone de partículas agregadas en láminas o capas
finas que se acumulan horizontalmente una sobre otra. A
menudo las láminas se traslapan, lo que dificulta
notablemente la circulación del agua. Esta estructura se
encuentra casi siempre en los suelos boscosos y en los
suelos formados por capas de arcilla*
El tamaño de partícula de los minerales de arcilla a partir de su mineralogía ostentan tamaños de partícula
inferiores a 2 o 5 mm, o sea tamaños indetectables a escala de la fabricación de los materiales cerámicos
convencionales. La arcilla llega a la planta en forma de terrones y estos deben triturarse por diferentes
instalaciones en función de su naturaleza Partiendo de la base de que el sistema de trituración de la planta
reduce el tamaño de grano hasta valores del orden del milímetro, todavía se está muy lejos de las micras de las
partículas (el orden de magnitud puede ser 1.000 o 100), por tanto si bien es importante el factor mineralogía,
este factor suele ser poco relevante en las etapas de conformación. Aquí adquiere una importancia descollante la
forma del grano, esto es su geometría, y la distribución de tamaño.
Antes de proceder a la fase de conformación es preciso proceder a una trituración para lograr una máxima
compactación de las partículas de arcilla. En cerámica buena parte de la cinética de las reacciones heterogéneas
dependen del tamaño de grano - de la superficie - que presente la fase sólida.
En general, se puede decir que las reacciones en que interviene, cuando menos, un sólido dependen:
Como indica la figura, cuando el tamaño de todos los granos es semejante, el volumen aparente que ocupa
el conjunto es muy grande. La figura simboliza la cantidad de materia y la de vacío (poros). Asimismo la figura
indica la proporción relativa de granos gruesos (30%) y granos pequeños (70%) para obtener la máxima
densidad de empaquetamiento.
La superficie de contacto en el primer caso es muy pequeña. Si, como expresa la gráfica de la derecha,
existe una cantidad de granos finos, la superficie específica aumenta mucho. Los procesos cerámicos son
siempre, en su inicio, reacciones en estado sólido lo que supone que las partículas deben estar en íntimo
contacto y ello supone que debe lograrse una distribución granulométrica en la que la densidad de
empaquetamiento sea máxima.
Los estudios teóricos en reología en ocasiones emplean modelos microscópicos para explicar el
comportamiento de un material. Para unas condiciones dadas de presión y temperatura, el material responde a la
aplicación de un esfuerzo primero con una deformación elástica (reversible, cuyo trabajo se acumula en forma
de energía potencial) que es directamente proporcional al esfuerzo; luego con una deformación plástica
(irreversible, que se disipa en forma de calor), que crece más deprisa que el esfuerzo; y por último, con una
deformación rígida (rotura), que a diferencia de las anteriores, rompe la continuidad original del material
Los grandes teóricos dicen que la reología es la ciencia que estudia la deformación y el flujo de la materia,
relacionando la viscosidad y la velocidad de agitación. Una adecuada reología nos permite ahorro de
defloculante, una granulometría deseada, piezas mas resistentes y un proceso optimo en los moldes.
La reología es entender como las propiedades de fluidez de una barbotina están relacionadas con:
3. La mecánica de agitación
4. Condiciones de almacenamiento
Como vemos es necesario considerar otros aspectos del proceso para poder decidir sobre la reología de
una barbotina ó de una pasta cerámica. Con base en lo anterior también podemos afirmar que la reología permite
manejar y aprovechar de una manera práctica el proceso de defloculación/floculación de una barbotina y como
poder controlarlo para obtener un buen nivel de gelificación en la barbotina.
Por lo anterior, el análisis de estos materiales es de suma importancia, sin embargo, dada su constitución
compleja, es necesario recurrir a diferentes técnicas de análisis para tener la mayor cantidad posible de datos que
permita conocer mejor sus características.
Por el tipo de información que se obtiene con relación a la morfología de los materiales, la Microscopía
Electrónica de Barrido (SEM) es una técnica muy útil para el estudio de las arcillas, y con objeto de obtener
información sobre su naturaleza mineralógica y complementar la caracterización realizada por otras técnicas.
2.3.2. Tamizado
El objetivo del tamizado es separar las distintas fracciones que componen un sólido granular o
pulverulento, por el diferente tamaño de sus partículas, utilizando para ello tamices u otras técnicas que luego se
describirán. En principio, se puede considerar tamiz toda superficie agujereada. Para realizar la operación de
tamizado se dota al tamiz de cierto movimiento para conseguir que la partícula coincida con la perforación y, si
tiene un diámetro igual o inferior se cuele.
Todo tamiz dará pues dos fracciones. Una la fracción gruesa (o de gruesos o de rechazos), y otra de finos,
la fracción fina, que cuela o de cernido. El tamizado es el método más usado por su simplicidad y economía. Se
basa en la utilización de tamices, que pueden medir rápida y eficazmente las dimensiones de las partículas
sólidas de entre varios milímetros y 45 mm. Existen tamices especiales para lo que se viene a llamar
"microtamizado", cubriendo rangos de hasta 38 mm.
Entre sus ventajas cuentan el amplio rango de dimensiones mesurables, su rapidez y fiabilidad, que las
pruebas pueden realizarse donde sea y cuantas veces sean necesarias, que no requiere equipamiento especial y
que una vez clasificado, el material queda separado en diferentes partes. Como limitaciones están la escasa
aplicabilidad técnica para partículas de dimensiones reducidas y la posibilidad de alteraciones debido a fricción
entre partículas.
Cuando no se dispone de instrumentación para determinar la curva granulométrica en todos sus tramos es
práctica habitual realizar un ensayo con un solo tamiz para determinar el rechazo. Así, por ejemplo en el caso de
las barbotinas para gres porcelánico se acepta un rechazo del 1% en un tamiz de 63 mm, lo que equivale a decir
que el 99% de la barbotina tiene un tamaño inferior a las 63 micras.
La industria de la cerámica estructural usa, casi en exclusiva tamices para la determinación de la curva de
distribución granulométrica. Esta instalación es de fácil adquisición y aporta una valiosa información, no sólo
para la propia distribución, sino de cómo a partir de la desviación de la curva teórica de funcionamiento se
pueden detectar los desgastes o las averías de las máquinas.
En la medida que los elementos de molturación se desgastan las partículas no son tan trituradas y el
tamaño máximo de partícula aumenta. Si la instalación dispone de un tamiz y éste sufre un desgarro, el tamaño
de partícula también aumenta. En conclusión, la medida de la distribución granulométrica, o del máximo
tamaño de grano, puede servir de control de calidad en la fábrica. La industria de pavimento y revestimiento, el
sanitario, el refractario, etc. lleva a cabo controles sistemáticos de la distribución granulométrica. Esta influye
sobre las características de los polvos, sobre la reología, sobre su sensibilidad al secado y la reactividad en
cocción. En consecuencia todo ello repercute sobre la densidad aparente de los productos fabricados y sus
propiedades físicas.
2.3.3. Sedimentación
Generalmente las partículas son lo suficientemente pequeñas para acelerarse rápidamente y asentarse a su
velocidad Terminal, produciendo una interfase superior entre el líquido claro A y la pulpa B. Al asentarse las
partículas en el fondo del cilindro, se eleva desde el fondo una interfase entre las partículas asentadas y las que
están en proceso de asentamiento.
Cuando la distribución de los tamaños de partícula es amplia, la situación puede ser la que se muestra en
la Figura, en la que la zona C se forma inmediatamente en vez de la zona B. Sin embargo, a concentraciones
altas de la pulpa, siempre que tengan la misma densidad, las partículas pueden mostrar un efecto aparente de
entrelazamiento de tal naturaleza que los espacios comprendidos entre las partículas grandes son demasiado
pequeños para que las partículas pequeñas pasen a través de ellos, y la pulpa se comporta como se ilustra en la
figura a) Generalmente, mientras más irregulares son las partículas, menor es la densidad de la pulpa a la que
ocurre esto.
2.3.4. Métodos Instrumentales
El uso de un microscopio óptico o electrónico permite una escala de utilización que va desde 1000 a casi
0,5 mm (óptico) ó 0,001 mm (electrónico). Si la medida es manual, el tiempo de medida se dispara a tiempos
del todo insatisfactorios, mientras que si se utilizan métodos de análisis de imagen se pueden alcanzar valores de
tiempo asequibles desde el punto de vista estadístico. A causa de su costo y problemas de elaboración de datos,
la microscopía (y en especial la electrónica) no está muy difundida en su utilización para la determinación de la
distribución granulométrica, pero resulta sin duda ser la técnica más eficaz, ya sea por la definición de la
morfología (forma de las partículas) como por sus dimensiones.
Por último, la técnica que actualmente presenta mucha potencialidad de aplicación para la caracterización
granulométrica de los polvos para uso cerámico es la difusión elástica de luz de ángulo bajo.
La utilización de las técnicas modernas de análisis granulométrico más a menudo en sustitución del
tamizado tradicional permiten mejorar el nivel de conocimiento de los sistemas de partículas. En particular, si se
trata de sistemas constituidos por partículas de dimensiones muy pequeñas (alrededor de décimas de micra) la
sustitución es clara.
2.4. Longitud característica, factor de área y volumen
Los aspectos como la pureza, estructura cristalina, tamaño de grano y reactividad son factores para la
selección de materias primas, pero para reforzar y encontrar mayor eficacia en el apartado, se requieren de que
estas técnicas físicas se utilicen para una completa caracterización de materiales cerámicos los cuales pueden
clasificarse en : Difracción, Microscópicas, Espectroscópicas; Además, otras técnicas como análisis térmico,
medidas magnéticas y basados en otras propiedades físicas pueden proporcionar información valiosa. Por lo
tanto será de suma importancia definir la longitud característica, factor de área y volumen del material.
2.4.1. Densidad; Tipos y técnicas de medición
Densidad: La densidad es una característica de cada sustancia. La densidad de los líquidos y sólidos
homogéneos, prácticamente, no cambia con la presión y la temperatura; mientras que los gases son muy
sensibles a las variaciones de estas magnitudes.
La densidad está determinada por el grado de absorción o porosidad de la arcilla ya cocida.
Medición de Densidad en arcillas (Peso especifico). Primeramente se realiza una prueba con el
densímetro para verificar los datos de temperatura, volumen, del mismo. Esto se lo realiza con agua destilada.
Luego se toma la arcilla finamente molida y se pesa 1,25-1,50 gr. de la misma y se lo coloca dentro del
densímetro que se encuentra con agua previamente tarada, paso siguiente se realiza la agitación de el densímetro
para homogeneizar la mezcla (arcilla-agua), seguidamente se pesa y se verifica la temperatura del agua.
Para hacer las pruebas de densidad se utiliza la misma plaqueta que se elabora para la prueba de
encogimiento.
La Porosidad es un tipo especial de defecto superficial en los cerámicos, los poros pueden estar
interconectados o cerrados. El fallo mecánico de los materiales cerámicos se da principalmente por defectos
estructurales. Las causas principales de las fracturas son producidas por grietas superficiales formadas durante
los procesos de acabado superficial, poros, inclusiones y granos grandes producidos durante el procesamiento.
Para poder saber si una materia prima (arcilla), puede ser empleada para fines cerámicos, una serie de muestras
nos pueden procurar datos a cerca de sus propiedades físicas y químicas de la muestra.
La distribución de la porosidad y textura superficial de los materiales cerámicos encuentra cada día nuevas
vías de aplicación para el desarrollo de nuevos materiales cerámicos, al margen de las tradicionales. Así los
materiales adsorbentes, los materiales activos, los soportes para catalizadores, los filtros, etc. deben disponer de
una porosidad bien concreta. Es por ello que el estudio y evolución de la porosidad es tan importante. La
presencia de la cantidad y calidad del material desgrasante juega un papel trascendental en la ceramización de
los materiales cerámicos.
La materia prima, aunque seca, adsorbe algo de humedad y a medida que la temperatura va en aumento,
las reacciones endotérmicas causadas por la pérdida de agua adsorbida por los cristales provocan un ligero
aumento del tamaño de los poros. La máxima porosidad (33%) y tamaño de los poros se registra en la probeta
cocida a 600 ºC, debido a las reacciones de rehidratación del retículo cristalino del mineral.
En toda cocción cerámica, por diversos motivos, se crea porosidad. A veces es la finalidad perseguida,
como es el caso de la fabricación de aislantes. Por el contrario, es un problema no deseado para la fabricación de
piezas de gres. (El ejemplo más representativo de ello lo constituye la fabricación del gres porcelánico, donde la
porosidad abierta debe ser nula).
Porosidad Abierta: también se denomina porosidad aparente. Está formada por aquellos poros que tienen
comunicación con el exterior. Son los responsables de los problemas de heladicidad y de las características de
aislamiento (absorción) acústico. El tamaño del poro suele oscilar de 0 a 1 mm. Estos poros proceden de:
Porosidad Cerrada: es la responsable de las propiedades del comportamiento térmico. Los poros son
debidos a:
La relación entre la porosidad total (Pt) y la densidad puede establecerse, en tanto por uno, por la
expresión:
Donde, da es la densidad aparente o sea la que resulta de medir el volumen y pesar la pieza (masa) y dr es
la densidad real, que en el caso de una misma pasta puede considerarse una constante (se mide con un
picnómetro).
Distribución de la porosidad en los materiales cerámicos
Debido a la naturaleza intrínseca de cada tipo de cerámica, la distribución del tamaño de poro es muy
diferente. Las gráficas de la figura muestran esta distribución situando en el eje de abscisas el valor del radio, en
micras, y en los ejes de ordenadas la distribución de los poros así como su volumen. Según sea la distribución
de la porosidad, los productos manufacturados presentarán una serie de características de resistencia mecánica,
conductividad térmica, eflorescencias, etc.
Mecanismo de compactación.
2.4.3. Área superficial especifica
La superficie específica o área superficial especifica de una arcilla se define como el área de la superficie
externa más el área de la superficie interna (en el caso de que esta exista) de las partículas constituyentes, por
unidad de masa, expresada en m2/g.
Las arcillas poseen una elevada superficie específica, muy importante para ciertos usos industriales en los
que la interacción sólido-fluido depende directamente de esta propiedad. La evaluación de superficie de
minerales arcillosos ha sido y es un tema de mucho interés en diversos campos, debido justamente a la amplia
utilización de estos minerales. Es la superficie expuesta, superficie específica (S) o superficie activa, la que le
confiere las propiedades físico – químicas de relevancia en aplicaciones industriales.
Los métodos utilizados en su evaluación consisten en ponerlos en contacto, desde una fase líquida o
vapor, con una sustancia capaz de adsorberse sobre su superficie formando una monocapa. A partir de la
evaluación de la cantidad de adsorbato unida y, conociendo el área que ocupa cada molécula, es posible
determinar la superficie del mineral. Se recurre a la utilización de la siguiente ecuación:
S= g ads N A o g arc PM
En caso de formarse más de una monocapa debe agregarse el valor n en el denominador correspondiente
al número de monocapas establecidas sobre la superficie (n= 2, 3, etc). Para establecer que existe formación de
monocapa se cuenta con diversas herramientas:
En el caso de las arcillas, donde sus áreas superficiales son muy grandes, no todos los métodos permiten
evaluar la S total, generalmente por adsorción de gases (nitrógeno, argón) solo es evaluable la S externa, la
presencia y formación de tactoides y cuasicristales puede producir modificaciones en la cantidad de adsorbato
ligado y/o algunos adsorbatos son capaces de dimerizarse sobre la S del mineral, por atracciones de van der
Waals, por lo cual pueden sobreestimar el valor de S.
La S total de estos minerales se encuentra en el orden de los 15 a 200 m2/g. En el caso que la superficie de
borde tenga carga positiva (pH por debajo de pzc), al utilizar un adsorbato catiónico no es evaluada dentro de la
S total.
Los minerales arcillosos presentan un tamaño reducido de partícula, y presencia de carga en su superficie,
lo cual le otorga propiedades físico - químicas muy particulares: retención y liberación de moléculas orgánicas e
inorgánicas, capacidad para mantenerse dispersas o reunirse en agregados voluminosos, hinchamiento, etc.
Sus pequeñas dimensiones hacen que se comporte como un sistema coloidal cuando entra en contacto con
agua, mientras que la presencia de cargas le permiten atraer sustancias ubicadas en la solución en contacto con
ellas.
Estos minerales presentan cargas con dos orígenes diferentes: permanentes y dependientes de pH.
Las cargas permanentes, constantes o estructurales se han generado, a través de los procesos geológicos, debido
a sustituciones isomórficas en las estructuras cristalinas, generalmente negativas debido al reemplazo de átomos
de la estructura por otros de menor valencia (magnesio por aluminio, aluminio por silicio). Estas cargas resultan
independientes del entorno del mineral.
Cuando un mineral arcilloso se pone en contacto con el agua se forma una dispersión coloidal cuyo
comportamiento depende de las interacciones entre los componentes del sistema que, básicamente son los
siguientes: partículas de arcilla, moléculas de agua, cationes, aniones.
Como consecuencia de estos factores, presentan, por una parte, un valor elevado del área superficial y, a la
vez, la presencia de una gran cantidad de superficie activa, con enlaces no saturados. Por ello pueden
interaccionar con muy diversas sustancias, en especial compuestos polares, por lo que tienen comportamiento
plástico en mezclas arcilla-agua con elevada proporción sólido/líquido y son capaces en algunos casos de
hinchar, con el desarrollo de propiedades reológicas en suspensiones acuosas.
Por otra parte, la existencia de carga en las láminas se compensa, como ya se ha citado, con la entrada en
el espacio interlaminar de cationes débilmente ligados y con estado variable de hidratación, que pueden ser
intercambiados fácilmente mediante la puesta en contacto de la arcilla con una solución saturada en otros
cationes, a esta propiedad se la conoce como capacidad de intercambio catiónico y es también la base de
multitud de aplicaciones industriales.
2.5.1 Mecánicas
Los materiales cerámicos son generalmente frágiles o vidriosos. Casi siempre se fracturan ante esfuerzos
de tensión y presentan poca elasticidad, dado que tienden a ser materiales porosos.
Los poros y otras imperfecciones microscópicas actúan como entallas o concentradores de esfuerzo,
reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados. Estos materiales muestran deformaciones plásticas. Sin
embargo, debido a la rigidez de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de
deslizamientos para dislocaciones de movimiento y la deformación ocurre de forma muy lenta.
Tienen elevada resistencia a la compresión si la comparamos con los metales incluso a temperaturas altas
(hasta 1.500 °C). Bajo cargas de compresión las grietas incipientes tienden a cerrarse, mientras que bajo cargas
de tracción o cizalladura las grietas tienden a separarse, dando lugar a la fractura.
Los valores de tenacidad de fractura en los materiales cerámicos son muy bajos (apenas sobrepasan el
valor de 1 MPa.m1/2), valores que pueden ser aumentados considerablemente mediante métodos como el
reforzamiento mediante fibras o la transformación de fase en circonia. Una propiedad importante es el
mantenimiento de las propiedades mecánicas a altas temperaturas. Su gran dureza los hace un material
ampliamente utilizado como abrasivo y como puntas cortantes de herramientas.
Las importantes aplicaciones industriales de los minerales arcillosos radican en sus propiedades fisico-
químicas. Dichas propiedades derivan, principalmente, de:
Como consecuencia de estos factores, presentan, por una parte, un valor elevado del área superficial y, a la
vez, la presencia de una gran cantidad de superficie activa, con enlaces no saturados. Por ello pueden
interaccionar con muy diversas sustancias, en especial compuestos polares, por lo que tienen comportamiento
plástico en mezclas arcilla-agua con elevada proporción sólido/líquido y son capaces en algunos casos de
hinchar, con el desarrollo de propiedades reológicas en suspensiones acuosas.
Por otra parte, la existencia de carga en las láminas se compensa, como ya se ha citado, con la entrada en
el espacio interlaminar de cationes débilmente ligados y con estado variable de hidratación, que pueden ser
intercambiados fácilmente mediante la puesta en contacto de la arcilla con una solución saturada en otros
cationes, a esta propiedad se la conoce como capacidad de intercambio catiónico y es también la base de
multitud de aplicaciones industriales.
Las propiedades físicas de la arcilla dependen de su estructura y de su tamaño de grano muy fino, siendo
este inferior a los 2 mm. Las arcillas son constituyentes esenciales de gran parte de los suelos y sedimentos
debido a que son, en su mayor parte, productos finales de la meteorización de los silicatos que, formados a
mayores presiones y temperaturas, en el medio exógeno se hidrolizan.
Fusibilidad. Según el punto o grado de cocción, podríamos hablar de dos tipos de arcilla. Arcillas
refractarias: Arcillas y caolines cuyo punto de fusión está comprendido entre 1.600 y 1.750ºC. Por lo
general son blancas, grises y poco coloreadas después de su cocción. Arcillas fusibles ó arcillas de
alfarería: Arcilla cuyo punto de fusión se alcanza por encima de los 1.100ºC. Son de color castaño, ocre,
amarillo o marfil tras su cocción y se suelen encontrar cerca de la superficie del suelo. Suelen contener
ilita acompañado de una proporción de caliza, óxido de hierro y otras impurezas.
Merma de Secado (Contracción). Todos los objetos hechos de arcilla húmeda, se contraen al secarse.
Higroscopicidad de la arcilla seca. La arcilla seca al pasar el aire húmedo, tiene la propiedad de
absorber de nuevo el agua de la atmósfera, para la higroscopicidad, se pone la arcilla en un secador, con
una solución de ácido sulfúrico 10% preferiblemente al vacío y se pesa luego.
Humedad. Esta prueba se lo realiza, una vez hecha la cocción de los ladrillos
Resistencia a la presión. La arcilla grasa de un material mas fuerte y más compacto que la magra. Su
fortaleza crece con la temperatura de cocción, pero si esta es conocida, solo hay que proceder según la
composición de la mezcla.
Color de cocción. Esta prueba se la realiza después de la cocción de las diversas arcillas
→ Los defloculantes pueden utilizarse para disminuir la proporción agua/arcilla y por lo tanto
disminuir la contracción de secado.
2.5.4 Interpretación de diagramas de fases
Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes
se suele denominar diagrama de cambio de estado. En ciencia de materiales se utilizan ámpliamente los
diagramas de fase binarios, mientras que en termodinámica se emplean sobre todo los diagramas de fase de una
sustancia pura.
Al igual que en los diagramas de los metales se puede aplicar la ley de la palanca para realizar los
cálculos de determinación de las fases y de las composiciones de equilibrio.
Tº Línea de liquidus
L+SL+S
L+S
Línea de solidus
%A%B
2.5.4.1 Diagramas binarios
Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase puede ser más compleja. Un
caso particular, el más sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener en
cuenta son la temperatura y la concentración, normalmente en masa. En un diagrama binario pueden aparecer
las siguientes regiones:
o Eutéctica
o Eutectoide
o Peritéctica
o Perictectoide
o Monotéctica
Diagramas cerámicos:
SiO2 - Al2O3
SiO2 - CaO
2.5.4.2 Diagramas ternarios
En este tipo de sistemas se tienen 4 variables independientes: presión, temperatura y dos concentraciones.
En materiales cerámicos, dada la naturaleza y estabilidad de los compuestos con que habitualmente se trabaja,
es posible debido a sus bajas presiones de vapor, despreciar el efecto de la presión en el estudio de diagramas de
equilibrio de fases, de tal forma que la relación que da cuenta del fenómeno queda:
La existencia de una campo monofásico es lo que define el tipo de diagrama para representar un sistema
ternario. Al requerirse 3 variables para expresar el equilibrio heterogéneo de un sistema ternario, la
representación gráfica necesaria debe ser tridimensional. Si se toma el plano x-y para graficar las
concentraciones, y la coordenada z para expresar las temperaturas, se tendrá una representación como:
Diagramas cerámicos: