Cementos y hormigones

Introducción

Cemento: Es un conglomerante hidráulico que, mezclado con agregados pétreos (grava, arena..) y agua, crea una mezcla uniforme, maleable y plástica que fragua y se endurece al reaccionar con el agua, adquiriendo consistencia pétrea, denominado hormigón o concreto.; Utilización: construcción e ingeniería civil, su principal función la de aglutinante.
Hormigón: Es el material resultante de la mezcla cemento (u otro aglomerante) con áridos (grava, gravilla y arena) y agua.; La principal característica estructural del hormigón es que resiste muy bien los esfuerzos de compresión.; No tiene buen comportamiento frente a otro tipo de esfuerzos como tracción, flexión y cortante. Por este motivo es habitual usarlo asociado al acero.

Historia

Primeros cementos naturales: En la Antigua Grecia empezaron a usarse tobas volcánicas extraídas de la isla de Santorini. En el siglo I a.C. se empezó a utilizar el cemento natural en la Antigua Roma, obtenido en Pozzuoli, cerca del Vesubio. La bóveda del Panteón de Agripa es un ejemplo de ello.

Panteón de Agripa

En el siglo XVIII John Smeaton construye la cimentación de un faro en el acantilado de Eddystone, en la costa Cornwall, empleando un mortero de cal calcinada.

Faro del acantilado de Eddystone

El siglo XIX, Joseph Aspdin y James Parker patentaron en 1824 el Cemento Portland denominado así por su color gris verdoso oscuro.
Isaac Johnson, en 1845, obtiene el prototipo del cemento moderno, con una mezcla de caliza y arcilla calcinada a alta temperatura.
En el siglo XX surge el auge de la industria del cemento, debido a los experimentos de los químicos franceses Vicat y Le Chatelier y el alemán Michaélis, que logran cemento de calidad homogénea; la invención del horno rotatorio para calcinación y el molino tubular y los métodos de transportar hormigón fresco ideados por Juergen Hinrich Magens que patenta entre 1903 y 1907.

Tipos de cemento

Existen diversos tipos de cemento, diferentes por su composición, por sus propiedades de resistencia y durabilidad, y por lo tanto por sus destinos y usos.
Los tipos y denominaciones de los cementos y sus componentes están normalizados.

1. La norma española establece los siguientes tipos según sus aplicaciones (ASTM)

cementos comunes
los resistentes a los sulfatos
los resistentes al agua de mar
los de bajo calor de hidratación
los cementos blancos
los de usos especiales
los de aluminato de calcio

Los cementos comunes son el grupo más importante y dentro de ellos el Portland es el habitual. En España sólo pueden utilizarse los cementos legalmente comercializados en la Unión Europea y están sujetos a lo previsto en leyes específicas.

2. Tipos principales de cemento

CALIZA HIDRÁULICA. (Caliza + sílice + alúmina).

Es una variedad de caliza que contiene impurezas arcillosas, más o menos aluminosas, que adquiere por calcinación la propiedad de endurecerse o fraguar incluso bajo el agua.

CEMENTO PUZOLÁNICO.

Contiene: 55-70% de clinker Portland; 30-45% de puzolana; 2-4% de yeso.

Puede fraguar incluso bajo agua. La puzolana es una fina ceniza volcánica, su nombre deriva de la localidad de Pozzuoli. Es una piedra de naturaleza ácida, muy reactiva, al ser muy porosa y puede obtenerse a bajo precio.

Aplicación: principalmente en elementos en las que se necesita alta permeabilidad y durabilidad.

CEMENTO NATURAL.

El cemento natural es un cemento que se forma a partir de la caliza arcillosa, también llamado cemento de roca. Atendiendo a su principio y fin de fraguado, se divide en:

Cemento rápido
Cemento lento

CEMENTO PORTLAND: Llamado así a su color, semejante al de la piedra de las canteras inglesas de Pórtland.
CEMENTO ALUMÍNICO.: El cemento aluminoso se produce a partir principalmente de la bauxita con impurezas de óxido de hierro (Fe2O3), óxido de titanio (TiO2) y óxido de silicio ( SiO2). Adicionalmente se agrega calcáreo o bien carbonato de calcio. El cemento aluminoso tiene la siguiente composición de óxidos: 35-40% óxido de calcio, CaO; 40-50% óxido de aluminio, Al3O3; 5% óxido de silicio, SiO2; 5-10% óxido de hierro, Fe2O3; 1% óxido de titanio.
CEMENTO MAGNÉSICO.: El cemento magnésico es una mezcla de óxido de magnesio y cloruro magnésico

Propiedades

Cemento aluminoso

Alta velocidad de fraguado
Endurecimiento rápido
Propiedades refractarias, pueden soportar hasta 1800 °C(dependiendo del porcentaje de oxido de aluminio)
Alta resistencia química a sulfatos
Alta resistencia al desgaste

Cemento puzolánico

Alta resistencia química especialmente a los sulfatos
Alta resistencia mecánica
Endurece más lento y desprende menos calor que el cemento Portland(se puede emplear en obras voluminosas)

Cemento Pórtland

Finura del molido: Es importante para aumentar la superficie de contacto y tener una mayor homogeneidad
Estabilidad volumétrica: Es indispensable para la utilización del Pórtland que después del fraguado permanezca inalterable, sin que sufra expansiones ni retracciones
Resistencia mecánica: El cemento es apto para la mayoría de las obras debido a sus resistencias
Durabilidad: Resistencia a los fenómenos atmosféricos
Resistencias a agentes físicos: Como las heladas o la penetración de sales en los poros
Resistencias a agentes químicos

El mortero cal y yeso

a) Descripción

Es un mortero seco compuesto de yeso, cal hidratada, arenas seleccionadas y aditivos especiales para mejorar la mezcla y la adhesión del producto.

b) Propiedades

El mortero cal y yeso debe que tener

Buena resistencia a la flexión (> 1.5 MPa)
Buena resistencia a la compresión (> 2.5 MPa)
Un modulo elástico dinámico (> 2.0 GPa)
Una espesor mínima (si no riesgo de ruptura importante)
Una granulometría lo más pequeña posible (<1.5mm diámetro)
Propiedades plásticas
Propiedades aislantes

Todos estos datos son verdades después de los 28 días de secado; tiempo necesario para que 95% del agua contenido en mortero evaporarse.

c) Materiales

La cal: existen dos tipos, la cal viva (CaO), la cal apagada (Ca(OH)2) también existe la lechada de cal (cal hidratada con un exceso de agua).

El yeso, es sulfato de calcio hemihidrato (CaSO4•½H2O), también llamado vulgarmente "yeso cocido".

Arena: SiO2

d) Utilizaciones

Se utiliza como mortero de fondo sobre paredes interiores (de yeso) y paredes exterior (de cal) de ladrillo, bloques de hormigón, hormigón en bruto, etc. Para fondos especiales y otros tipos de recuperación. El mortero cal y yeso no se recomienda su uso en locales húmedos porque necesita una atmósfera húmeda para secar y llegar a sus propiedades finales.

Los morteros de cal

a) Propiedades de los moteros de cal

Los morteros de cal son aquellos que están fabricados con cal, arena y agua. La cal puede ser aérea o hidráulica.

Cal Aérea: Las cales aéreas hidratadas (amasada con agua) endurecen únicamente con el aire (CO₂ atmosférico) .El proceso es lento y el producto resultante poco resistente a la acción del agua.

Cal Hidráulica. Las hidráulicas, amasadas con agua forman pastas que fraguan y endurecen a causa de las reacciones de hidrólisis e hidratación de sus constituyentes. El proceso es más rápido y da lugar a productos hidratados, mecánicamente resistentes y estables, tanto al aire como bajo el agua.

Factores que influyen en las propiedades de la cal obtenida:

La dureza de la cal depende: de las impurezas de la caliza utilizada, de la temperatura de calcinación (una impura, da una cal dura si se calcina a temperaturas elevadas).
La porosidad / la densidad – de las cales también depende de la temperatura de calcinación, a mayor temperatura menor porosidad y por lo tanto una mayor densidad.

b) Materiales

El mortero para pega y revoque está compuesto de: un aglutinante, que es cemento Portland (3CaOSiO2) con una combinación de cal (Ca(OH)2). En ningún caso se usará la cal sola como aglutinante. Agua (H2O), para hidratación del aglutinante y para darle al mortero plasticidad. Arena (SiO2)

c) Usos del mortero de cal

Respecto a los usos que se le da a la cal obtenida dependen los distintos grados de pureza que requiera la caliza.

Para usos en construcción.

La cal se usa principalmente en enlucidos y estuco.

La cal hidratada se usa para la fabricación de ladrillos de cal (propiedades aislantes), bloques de hormigón, hormigón en bruto…

El cemento Portland

¿Qué el cemento Portland?

El cemento portland es un conglomerante hidráulico que cuando se mezcla con áridos y agua tiene la propiedad de conformar una masa pétrea resistente y duradera denominada hormigón.

IMAGEN

Proceso de fabricación

Preparación de la mezcla de materias primas.

Se prepara una mezcla con la composición que aparece en la tabla 1.

Tabla 1. Composición de las materias primas para la producción de clinker
Materia	prima Cantidad
CaO	44%
SiO₂	14.5%
Al₂O₃	3.5%
Fe₂O₃	3%
MnO	1.6%

Producción del clinker.

La anterior mezcla se introduce en un horno tipo Klin. Éste es cilíndrico dispuesto horizontalmente con una ligera inclinación y rota lentamente. Por la parte de más altura se introduce dicha mezcla y va evolucionando a lo largo del horno experimentando un incremento de temperatura hasta unos 1400 °C en la parte final. En la parte más baja del horno se recoge el producto, al que se le llama clinker.

El proceso que se ha producido en el interior del horno es una combinación de los minerales sin que lleguen a fundir ni vitrificar.

Las reacciones que ocurren, en función de la temperatura, en el horno son:

temperatura	reacciones
1.000 a 1.100 °C	3 CaO + Al₂O₃ → 3 CaOAl₂O₃ 2 CaO + SiO₂ → 2 CaOSiO₂ CaO + Fe₂O₃ → CaOFe₂O₃
1.100 a 1.200 °C	CaOFe₂O₃ + 3 CaOAl₂O₃ → 4 CaOAl₂O₃Fe₂O₃
1.250 a 1.480 °C	2 CaOSiO₂ + CaO → 3 CaOSiO₂

Tabla 2. Composición del clinker.
Materia prima	Cantidad
51%	CaOSiO₂
26%	CaOSiO
11%	CaOAl₂O₃
12%	CaOAl₂O₃Fe₂O₃

Para llevar a cabo el proceso de producción de clinker se necesitaría idealmente 1700 J/g, pero debido a las pérdidas que sufre el proceso, se necesita algo más. En dicho proceso, se emiten grandes cantidades de dióxido de carbono.

Aditivos

Para mejorar las características del producto final al clinker se agrega aproximadamente el 2% de yeso. Su presencia hace que el fraguado posterior se concluya aproximadamente en 45 minutos. El yeso reacciona con el aluminato tricálcico para formar una sal expansiva llamada 'ettringita', según la siguiente reacción.

3CaOAl₂O₃ + 3(CaSO₄2H₂O) + 26H₂O → 3CaOAl₂O₃3CaSO₄32H₂O

Preparación del cemento.

La mezcla es molida finalmente obteniéndose un polvo. Éste es el cemento preparado para su uso. La composición del cemento es la que aparece en la tabla 3.

Tabla 3. Composición del cemento.
Óxido de calcio	64%
Óxido de silicio	21%
Óxido de aluminio	5.5%
Óxido de hierro	3-5%
Óxido de magnesio	2.4%
Sulfatos	1.6%
Agua y otros materiales	1%

Fraguado del cemento.

Cuando el cemento portland es mezclado con agua, se obtiene un producto de características plásticas con propiedades adherentes que solidifica en algunas horas después y endurece progresivamente durante un período de varias semanas hasta adquirir su resistencia característica.

A lo largo del proceso de endurecimiento podemos distinguir varias etapas, como se observa en la tabla 4.

Tabla 4. Distintos procesos de endurecimiento en el fraguado del cemento
Endurecimiento	Fenómeno
Por reacción del agua, yesoy aluminato cálcico.	Se forma una estructura cristalina de calcio-aluminio-hidrato,estringita y monosulfato.
Reacción más lenta del agua con el silicato tricálcico	Se forma una estructura amorfa llamada calcio-silicato-hidrato,que genera fuerzas internas de tensión

Una última reacción produce el gel de silicio (SiO₂).

Con el agregado de materiales particulares al cemento (calcáreo o cal) se obtiene el cemento plástico, que fragua más rápidamente y es más fácilmente trabajable. Este material es usado en particular para el revestimiento externo de edificios.

La calidad del cemento de portland deberá estar de acuerdo con la norma ASTM C 150.

Cementos Portland especiales.

Son los que se obtienen de la mismo modo que el cemento portland normal, pero tienen características diferentes a causa de variaciones en el porcentaje de los componentes que lo conforman. En la tabla 5 se indican los tipos existentes de estos cementos.

Tabla 5. Tipos de cementos Portland especiales.
Tipo
CPN: Cemento Portland Normal	Sin aditivos
PB: Cemento Portland blanco	Materias primas pobres en hierro, que le dan ese color blanquecino grisáceo.
CBC: Cemento Portland de bajo calor de hidratación	Produce durante el fraguado una baja temperatura de hidratación.
CER: Cemento portland de elevada resistencia inicial.	Contenido de silicato tricálcico que le permite un fraguado más rápido y mayor resistencia.
CPS: Cemento portland resistente a los sulfatos.	Bajo contenido en aluminato tricálcico, que le permite una mayor resistencia a la acción de sulfatos contenidos en el agua o en el terreno.
Cemento portland con aire ocluido	Tiene un aditivo especial que produce un efecto aireante en el material.

El yeso

El yeso es un sulfato de calcio dihidratado (CaSO4•2H20). Se presenta en cristales tabulares exfoliables en láminas, generalmente incoloros. Tiene una dureza de 2 en la escala de Mohs y una gravedad específica de 2.32. Su color generalmente varía de blanco a blanco grisáceo, sin embargo, puede tener diversas tonalidades de amarillo, rojizo, castaño, azul grisáceo, rosa o amarillo como consecuencia de impurezas; es suave y plástico; a altas temperaturas de calcinación pierde toda el agua.

El presente estudio considera únicamente el yeso natural y anhidrita que de acuerdo a la ley minera son concesibles, sin embargo, es importante mencionar algunas variedades del mineral que aunque no son concesibles sí se usan ampliamente en la actividad industrial:

Selenita: es la variedad incolora y transparente que se presenta con brillo o lustrosidad perla. La palabra selenita proviene de la palabra griega luna y significa roca de luna.
Espato satinado: es un agregado de fibras compactas, tiene una apariencia muy satinada que por sus cristales fibrosos proyecta juegos de luces.
Alabastro: es un fino material masivo granulado, es una piedra ornamental usada desde la antigüedad en finas esculturas.

El yeso es un material con resistencia al fuego, no es abrasivo, tiene baja temperatura de calcinación, funciona como agente oxidante, de acabado en construcción y como removedor de espuma. Mejora la estructura o condiciones físicas del suelo. Es comercializado sobre la base de su necesidad de agua, resistencia, color blanco, tiempo de fraguado, y las cualidades estrechamente controladas de expansión y contracción. Se emplea para fabricar tabiques, bóvedas, enlucidos, pavimentos continuos, estucos, molduras, mármol artificial…

Variedades comerciales

Yeso sin calcinar: Es un mineral constituido principalmente por sulfato de calcio dihidratado, tal como se encuentra en los yacimientos. Actividades consumidoras: Cemento, agroquímicos, pinturas, obras mineras, tratamiento del agua.
Yeso calcinado: Es el sulfato de calcio, hemihidratado, obtenido del yeso natural a través de deshidratación parcial por calentamiento. Actividades consumidoras: Productos prefabricados, cerámica, ortopedia, dental. En el caso del yeso que se usa en productos prefabricados, se requiere una pureza superior al 85%; conforme mayor sea ésta es mejor su calidad.

Elaboración del yeso

El yeso natural, o sulfato cálcico bihidrato CaSO₄ • 2 H₂O, está compuesto por sulfato de calcio con dos moléculas de agua de hidratación. Si se aumenta la temperatura hasta lograr el desprendimiento total de agua, fuertemente combinada, se obtienen durante el proceso diferentes yesos empleados en construcción, los que de acuerdo con las temperaturas crecientes de deshidratación pueden ser:

Temperatura ambiente	Piedra de yeso, o sulfato de calcio bihidrato (CaSO₄ • 2 H₂O)
107 °C	Formación de sulfato de calcio hemihidrato (CaSO₄ • ½ H₂O)
107 - 200 °C	Desecación del hemihidrato, con fraguado más rápido que el anterior (yeso comercial para estuco)
200 - 300 °C	Yeso con ligero residuo de agua, de fraguado muy lento y de gran resistancia
300 - 400 °C	Yeso de fraguado aparentementerápido, pero de muy baja resistencia
500 - 700 °C	Yeso Anhidro o extra cocido, de fraguado muy lento o nulo (yeso muerto)
750 - 800 °C	Empieza a fomra se el yeso hidráulico
800 - 1000 °C	Yeso hidráulico normal, o de pavimento
1000 - 1400 °C	Yeso hidráulico con mayor properción de cal libre y fraguado más rápido
1450 °C	Temperatura de fusión del yeso

Tipos de yesos en construcción

Aditivos del yeso

Se consideran aditivos los productos que en pequeño porcentaje entrar en la composición final del yeso para modificar o añadir alguna propiedad (retardadores del fraguado, aceleradores del fraguado, espesantes y retenedores de agua, fluidificantes, o impermeabilizantes). Para asegurar la correcta dosificación y la homogeneidad del producto está desaconsejada la adición en obra debiéndose hacer siempre en fábrica.

Fraguado y endurecimiento del yeso

Al mezclarse con el agua, las fases anhidras o hemidratadas de sulfato cálcico contenidas en el yeso en polvo, se disuelve, y a continuación fraguan mediante una reacción de hidratación que provoca la transformación de la pasta desde un estado líquido incial a uno plástico en que puede trabajarse, para finalmente terminar de endurecer o pasar a un estado sólido.

Cuando las fases de sulfato cálcico reaccionan con el agua, se transforman en una masa de cristales de sulfato cálcico dihidratado que actúan como elementos de unión. Dichos cristales están en forma de finas agujas de dihidrato, de manera que el entrelazamiento de las agujas cristalinas entre sí proporciona la resistencia mecánica.

Otro factor importante es la porosidad. La cantidad de porosidad residual depende de la cantidad de agua presente en la mezcla original, así, si el contenido de agua aumenta, aumenta la porosidad, la capacidad de absorción de la pasta endurecida y en definitiva disminuye la resistencia mecánica y la durabilidad.

Por lo general el tiempo de fraguado comienza a los 2 o 3 minutos y termina entre los 10 o 20 minutos. Este tiempo depende principalmente de la temperatura del agua de amasado, de la relación yeso – agua, del tiempo de amasado y del tamaño de las partículas.

La escayola

La escayola es el yeso blanco de mayor calidad. Desde el punto de vista tradicional la diferencia entre yeso y escayola es su pureza en aljez y diferente granulometría (la escayola es más fina, de 0-0,2 mm). Mientras que el yeso tiene pureza mayor del 70%, la escayola ha de tener pureza mayor del 90%.

Se caracteriza por la dureza (dureza Shore C) y perfección de su acabado. Se contrae muy poco durante el fraguado, con lo cual sus dimensiones disminuyen poco. Se emplea principalmente en vaciados, molduras y decoración. Por lo general la duración del estado plástico suele ser de unos 10 minutos para un fraguado normal (para prefabricados) y de unos 30 minutos para un fraguado lento (para usar en pasta).

En el RY-85 (pliego general de condiciones para la recepción de yesos y escayolas en las obras de construcción), se definen los siguientes tipos de escayolas y sus aplicaciones más frecuentes:

Se designa E-30 la escayola que está constituida fundamentalmente por sulfato cálcico hemihidrato con la posible incorporación de aditivos reguladores del fraguado y con una resistencia mínima a flexotracción de 3 MPa. Se garantiza una pureza ≥ 90%. Para el amasado de utiliza una relación agua/escayola de entre 0,8 y 1,0 según los productos y aplicaciones.
La escayola designada como E-35 posee una mayor pureza que la E-30 (≥92%) y una resistencia mínima a flexotracción de 3,5 MPa. Para el amasado de utiliza una relación agua/escayola de entre 0,8 y 1,2 según los productos y aplicaciones.

En la siguiente tabla se muestra una comparación de propiedades de distintos tipos de yeso con la escayola:

Formas de utilización

En pasta: la escayola se presenta en estado pulverulento, envasada en sacos de unos 20 kg. Amasada con agua se usa en enlucidos donde se requiere un acabado muy fino (acabados sobre guarnecidos de yesos bastos). Mezclada con aditivos se utiliza para estucados.
Conformado: la escayola se moldea en fábrica o taller con formas diversas, para la confección de elementos decorativos: columnas, bustos, molduras, e incluso muebles.
En planchas: la escayola se mezcla con micro-fibra de vidrio para formar placas con aceptable resistencia. Se utilizan para la elaboración de falsos techos o paneles para divisiones de espacios interiores.
Mezclada con perlita: se aligera y le da propiedades especiales para su uso como aislante, protección contra el fuego, etc.

Productos estructurales de la arcilla

Definición

Tienen su origen en la disgregación y descomposición de las rocas feldespáticas durante millones de años en partículas cada vez más pequeñas que son transportadas por inundaciones y depositadas en lagos, campos, pantanos y lagunas.

La arcilla pura es una sustancia mineral terrosa compuesta en gran parte de hidrosilicato de alúmina. Al2O3.2 SiO2.2H2O

El efecto de añadir cada uno de estos componentes al caolín es:

Arcillas: confieren la plasticidad a la masa húmeda, así como la resistencia del cuerpo en verde. Estas propiedades mejoran cuanto más fino es el tamaño de partícula.
Feldespato: forma un flux que ayuda a la formación de líquido. Tiene una temperatura de fusión baja. Proporciona una fase vítrea que ayuda al cocido de la arcilla.
Sílice: forma (con ayuda del feldespato) un líquido viscoso responsable de la resistencia del cuerpo cocido. Controla la expansión térmica del producto cocido.
Terracota: Tiene una porosidad elevada (>30%) y es típicamente roja. Se cuece a una temperatura baja (<900 °C). Los productos típicos son ladrillo, tejas, solería y figuras artísticas.
Earthenware: Es poroso (10 a 25%) y opaco. Se cuece temperaturas entre 900 y 1200 °C, lo que no es suficiente para vitrificar el producto.

Tipos de arcilla

Existen muchas clasificaciones de los tipos de arcilla.

Según existan en la naturaleza: Arcillas primarias o residuales: Son relativamente puras. Son las formadas en el lugar de sus rocas madres y no han sido por tanto transportadas por el agua, el viento o el glaciar. Éstas tienden a ser de grano grueso y relativamente no plásticas. La mayoría de los caolines son arcillas primarias.; Arcillas secundarias: Son las que han sido desplazadas del lugar de las rocas madres originales. Aunque el agua es el agente más corriente de transporte, el viento y los glaciares pueden también transportar arcilla. Éstas son mucho más comunes que las anteriores y tienen una constitución más compleja debido a que están compuestas por material procedente de distintas fuentes: hierro, cuarzo, mica, materias carbonosas y otras impurezas.
Según su plasticidad: Arcillas plásticas: hacen pasta con el agua y se convierten en modelables.; 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)
Según su fusibilidad: Fusibilidad es la facilidad con que un material puede derretirse o fundirse.; Arcillas refractarias: Arcillas y caolines cuyo punto de fusión está comprendido entre 1.600 y 1.750 °C. 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 1.100 °C. Suelen contener illita acompañado de una proporción de caliza, óxido de hierro y otras impurezas.

Clases usuales de arcillas: Caolín o arcilla de China: Este tipo de arcilla se encuentra más corrientemente en China que en cualquier otra parte, de ahí su nombre. Arcillas primarias; partículas de gran tamaño de ahí que tengan una menor plasticidad; altamente refractaria, con un punto de fusión por encima de los 1.800 °C; su grado de contracción es bajo; poca resistencia en seco. En la práctica, raramente se utiliza el caolín en sí mismo dado su alto grado de refractariedad y su poca plasticidad, por ello se añaden a él otros materiales.; Arcillas plásticas o arcilla de bola: Las propiedades de este tipo de arcilla son contrapuestas a las del caolín debido a que poseen un mayor contenido en hierro, son más fusibles, más plásticas y su grano es más fino. Se puede decir que son complementarias y a menudo se combinan para crear una arcilla más trabajable. Se trata de una arcilla secundaria. En la fabricación de cerámica blanca, este tipo de arcilla se hace indispensable para aumentar la falta de plasticidad del caolín. Poseen un alto grado de contracción, hasta un 20%.; Arcillas apizarradas: Cuando los lechos de arcilla han sido sometidos a presión y temperaturas muy altas, se ponen como roca. Es una arcilla no plástica capaz de resistir altas temperaturas.
Clases según los productos que se obtienen: Arcilla de Alfarería: Son muy corrientes y suelen contener hierro y otras impurezas minerales por lo que su grado de cocción es de 950-1.100 °C. 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, tejas… Hay que controlar el contenido en calcita o sales alcalinas solubles.; Tierra para adobes: arcilla superficial adecuada para hacer adobes o ladrillos secados al sol. Casi no tiene plasticidad y contiene un alto porcentaje de arena.; Arcilla para gres y loza: Las arcillas para loza son arcillas secundarias y plásticas que se funden a 1.200-1.300 °C. Su color de cocción va desde un gris claro a un gris oscuro o marrón. 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; Arcillas refractarias: Cualquier arcilla que resista la fusión hasta alrededor de los 1.500 °C puede considerarse como una arcilla refractaria. Es relativamente pura y libre de hierro. Se emplea en la fabricación de ladrillos refractarios y otras piezas para hornos, estufas, calderas…

Propiedades de la arcilla

Superficie específica: La superficie específica o área superficial 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.
Plasticidad: Es una cualidad natural que tienen todas las arcillas. Las partículas individuales de la arcilla son aplanadas y por ello pueden deslizarse las unas sobre las otras, especialmente cuando están mojadas. Esto facilita la plasticidad. La elevada plasticidad de las arcillas es consecuencia, nuevamente, de su morfología laminar, tamaño de partícula extremadamente pequeño (elevada área superficial) y alta capacidad de hinchamiento. Esta plasticidad puede ser cuantificada mediante la determinación de los índices de Atterberg. En general, cuanto más pequeñas son las partículas y más imperfecta su estructura, más plástico es el material.
Porosidad: El grado de porosidad varía según el tipo de arcilla. Esta depende de la consistencia más o menos compacta que adopta el cuerpo cerámico después de la cocción. Las arcillas que cuecen a baja temperatura tienen un índice más elevado de absorción puesto que son más porosas.
Merma: Debido a la evaporación del agua contenida en la pasta durante el secado.
Vitrificación: Esta es la cualidad de hacerse dura y resistente con el calor. Cada arcilla tiene una temperatura de madurez a la cual puede realizarse la mejor combinación de las cualidades de fuerza, contracción y resistencia al choque. Este punto es un poco menor que el de la vitrificación.
Color: Las arcillas presentan coloraciones diversas después de la cocción debido a la presencia en ellas de óxido de hierro, carbonato cálcico<
Refractariedad: Todas las arcillas son refractarias, es decir resisten los aumentos de temperatura sin sufrir variaciones, aunque cada tipo de arcilla tiene una temperatura de cocción.
Capacidad de absorción: Algunas arcillas tienen su principal aplicación en el sector de los absorbentes. La capacidad de absorción está directamente relacionada con la superficie específica y la porosidad. La absorción de agua de arcillas absorbentes es mayor del 100% con respecto al peso.
Hidratación e hinchamiento: La absorción de agua en el espacio interlaminar tiene como consecuencia la separación de las láminas dando lugar al hinchamiento. Este proceso depende del balance entre la atracción electrostática catión-lámina y la energía de hidratación del catión. A medida que se intercalan capas de agua y la separación entre las láminas aumenta, las fuerzas que predominan son de repulsión electrostática entre láminas, lo que contribuye a que el proceso de hinchamiento pueda llegar a disociar completamente unas láminas de otras.
Tixotropía: Es un fenómeno consistente en la pérdida de resistencia y su posterior recuperación con el tiempo. Este tipo de arcillas se denominan tixotrópicas, cuando son amasadas se convierten en un verdadero líquido y recuperan la cohesión cuando se dejan en reposo. Para que esto ocurra el contenido en agua debe ser del orden de su límite plástico.

Aplicaciones

Ladrillos

Los ladrillos son utilizados en construcción en cerramientos y fachadas. Se utiliza principalmente para construir muros o tabiques. Lo habitual es que se reciban con mortero. Según su forma, los ladrillos se clasifican en diferentes tipos: perforado, macizo (con menos de 10% de perforaciones), manual (simulan ladrillos de fabricación artesanal), aplantillado (perfil curvo), caravista (se utilizan en exteriores con un acabado especial), refractario (para hornos o chimeneas).

Una vez seleccionado el tipo de arcilla el proceso puede resumirse en:

Maduración
Tratamiento mecánico previo
Depósito de materia prima procesada
Humidificación, se lleva a un mezclador humedecedor, donde se agrega agua para obtener la humedad precisa.
Moldeado
Secado
Cocción, instancia crucial del proceso: se realiza en hornos de túnel, que en algunos casos pueden llegar a medir hasta 120 m de longitud, y -donde la temperatura de la zona de cocción oscila entre 900 °C y 1000 °C. Es durante la cocción donde se produce la sinterización que influye en la resistencia del ladrillo.
Almacenaje

Termoarcilla

La Termoarcilla es una arcilla con aditivos que desaparecen en la cocción. Tiene una baja densidad y mayor grosor que el ladrillo convencional.

Se fabrica partiendo de una mezcla de arcilla, esferas de poliestireno expandido y otros materiales granulares, que se gasifican durante el proceso de cocción a más de 900 °C sin dejar residuos, se origina una fina porosidad homogéneamente repartida en la masa cerámica del bloque. Se trata de macroporos visibles.

Entre sus cualidades singulares figura su porosidad, que permite la transpiración de la vivienda, y su buena inercia térmica. Presente numerosas propiedades ventajosas (propiedades para un espesor de bloque de 20 cm):

Buen aislamiento térmico: coeficiente de transmisión de calor K: 1,13W/°C.m² y conductividad térmica 0,29 W/°C.m
Buen aislamiento acústico: aislamiento al ruido aéreo 47.5 dBA.

Las paredes de bloque TERMOARCILLA® mejoran en 2 dB aproximadamente, su comportamiento respecto a otras de masa equivalente, ya que la porosidad reduce el módulo de elasticidad de la arcilla cocida, al mismo tiempo que aumenta el amortiguamiento.

Elevada resistencia al fuego
Resistencia mecánica: la resistencia a compresión de los bloques Termoarcilla es mayor de 50 kp/cm², y por lo tanto puede ser empleado como elemento estructural. La resistencia al corte es menor en muro de bloque Termoarcilla que en un muro de ladrillo, entre un 5% y un 20% dependiendo del mortero.
Impermeabilidad al agua de lluvia.
Coste reducido de puesta en obra y rapidez de ejecución: el bloque Termoarcilla tiene grandes dimensiones, por lo que los muros se construyen con menor número de piezas, y tienen las testas machihembradas, permitiendo el encaje entre bloques, sin necesidad de colocar mortero en la junta vertical. Al final, se ahorra mortero y tiempo para levantar un muro.
Referente al medioambiente y a la salud: Termoarcilla hace posible la construcción de una vivienda sana sin problemas de toxicidad, radiaciones ni alergias. Por sus características especiales, Termoarcilla facilita el ahorro energético.

Tejas

Las tejas se fabrican con arcilla cocida. Sus cualidades principales son que protegen contra el calor y su impermeabilidad. Y otra virtud muy estimable es su duración indefinida.

Las tejas cerámicas se fabrican con arcilla, mezclada con agua hasta formar una pasta que puede moldearse. Tras conseguir la forma deseada, se las deja secar al aire un tiempo, fase en la que pueden aplicarse tratamientos especiales como el esmaltado que aumenta su duración. Finalmente, las tejas se cuecen a muy altas temperaturas, adquiriendo su forma, dureza y color definitivos.

Según la forma, hay tejas curvas, mixtas y planas. Las curvas son las más comunes, tienen forma acanalada y troncocónica.

Conforme a la UNE 7193, su resistencia a la flexión no debe ser menor de 130 kg.

Conforme a la UNE 7191, la impermeabilidad al agua, no debe ser menor de dos horas.

Piedra natural

Introducción histórica

Desde que los hombres aprendieron a vivir en comunidad y en asentamientos estables, la búsqueda de materiales y procesos constructivos para conseguir una pavimentación más confortable y duradera ha sido una inquietud constante.

Desde piedras naturales, pasando por adoquines de madera, arcilla prensada a mano y cocida... han sido muchos los tipos de materiales empleados en la pavimentación a lo largo de los siglos. Al principio los criterios eran fundamentalmente prácticos y, una vez resueltos éstos, fueron complementados por criterios más refinados en los que la belleza y el diseño cobraron mayor relevancia.

Buen ejemplo de ello es la pavimentación con mosaicos, que, procedentes de Oriente, fueron introducidos en Europa por los griegos, y divulgados por los romanos. Estos mosaicos se realizaban combinando pequeñas piezas de mármol y piedras naturales que se fijaban entre sí y al suelo utilizando cemento natural a base de cal. Como ejemplo representativo el mosaico es la baldosa más pequeña que existe. Compuesto generalmente de teselas de cerámica, mármol, piedra, terracota o cristal vítreo.

El mosaico tiene una historia que se remonta al siglo III a.C. Los sumerios crearon mosaicos con piezas de arcilla coloreada y los egipcios combinaron este material con la utilización de piedras preciosas. Los romanos dieron forma regular a las piedras que los componían y las emplearon en suelos y murales de temas naturalistas. Los bizantinos alcanzaron la maestría en el arte del mosaico, como se manifiesta en Santa Sofía en Estambul.

Las teselas de cerámica y vidrio suelen ser más fáciles de instalar que los mosaicos de piedra, por sus dimensiones más uniformes.

También existen baldosas de gresite en forma de malla que posibilitan cubrir superficies amplias de manera rápida y sencilla, sobre todo en baños y cocinas.

Los materiales de este tipo tuvieron una gran importancia en esta época. Ya los griegos y romanos usaban mármoles, y diferentes tipos de piedras, e incluso, pueblos anteriores a ellos, como los egipcios. Los materiales de construcción romano a partir del periodo republicano, fue el sillar de piedra de cantería local, utilizado junto con vigas de madera, tejas y baldosas cerámicas. La piedra elegida variaba desde la toba y el travertino del centro de Italia al brillante mármol blanco importado de Grecia y Asia Menor o, en tiempos de Julio César, desde Luna (actual Luni, cerca de Carrara, Italia) y los mármoles policromos traídos desde las canteras de todo el mundo antiguo. A menudo se utilizaron finas placas de mármol como revestimiento para cubrir las paredes construidas de sillería o sillarejo ligado con mortero.

Los mármoles dieron esplendor a las construcciones romanas, al igual que a los edificios griegos anteriores, pero la argamasa, material equiparable al hormigón actual inventado por los romanos, les permitió levantar edificios imposibles de construir con el anterior sistema de estructura adintelada. El Opus caementicium romano era una amalgama de piedras informes, cal y puzolana volcánica, que suministró a los arquitectos romanos los medios para cubrir espacios enormes con grandes arcos y bóvedas, y liberar al diseño arquitectónico de los modelos rectilíneos que se usaron en la arquitectura griega.

Propiedades

Pues para empezar, se dirá que la piedra natural es:

Es ecológica, ya que la única energía que se usa en su fabricación es su extracción y labrado
Es compatible con el medio ambiente, ya que no contiene sustancias nocivas, y aunque se quemaran, no las soltarían.
Se pueden limpiar fácilmente.
La piedra natural absorbe radiación solar indeseable.
Buenas propiedades a la abrasión

Aunque también habrá que tener en cuenta que:

Depende de donde se extraiga
Presenta bajos valores a tenacidad y flexión
Exigen empleo de diseños que aprovechen su resistencia a compresión

En efecto suelen tener una resistencia a la compresión mayor de 75MPa, pero hay que tener en cuenta que si tiene exceso de sulfuros y carbonatos favorecen la meteorización, que no es otra cosa que la descomposición de la roca, debido a agentes atmosféricos.

La meteorización puede ser física o química. La causa de la meteorización física es la adaptación de la roca a las condiciones ambientales. Los agentes que la provocan son la descompresión (rocas pierden la presión de fabricación), termoclastia (diferencia de temperatura entre la superficie y el interior), haloclastia (rotura de las rocas por la sal, que se incrusta en los poros, y cuando aumenta de volumen, aumenta la presión).

Y la causa de la meteorización química son las reacciones de la roca con oxígeno, vapor de agua y dióxido de carbono. Como especial atención la hidrólisis que es la rotura en la estructura de algunos minerales por la acción de los iones de H+ y OH- de agua, fundamentalmente en la meteorización del feldespato transforma en arcillas y del granito que puede llegar a la caolinización (transformarse en arcillas, especialmente en caolín). A este efecto hay que nombrar la corrasión, que es el desgaste de las rocas causado por el impacto de los granitos de arena arrastrados por el viento. Métodos para prevenirla, después de limpiar la piedra, aplicar consolidantes y/o hidrofugantes. Los hidrofugantes dan resistencia al agua, y los consolidantes previenen desprendimientos superficiales.

Es intensa en las zonas ventosas donde abunda la arena y escasea la vegetación. Sus efectos dependen de la naturaleza de las rocas bombardeadas por las partículas abrasivas. Una roca muy dura y compacta será pulida; otra, blanda y poco homogénea, cobrará una superficie alveolar. Muchas veces la erosión afecta en mayor grado la base de la roca aislada y ésta acaba por presentar el aspecto de un hongo en equilibrio sobre un pie precario y estrecho.

Los tipos y los usos principales de las piedras naturales

Caliza oolítica: Es una piedra calcárea cementada con calcita y constituida por conchas y fragmentos de conchas, prácticamente de carácter no cristalino.
Caliza dolomítica: Es una piedra de construcción, firmes de carretera, fabricación de cal (chaux) y cemento, fundente.
Mármol: Es una variedad de caliza (calcaire) sometida a presión y temperatura tan elevadas que han determinado su recristalización en granos grandes.; La sensación de frío que tenemos cuando tocamos el mármol es debido a su grande efusividad térmica (capacidad a intercambiar energía térmica).; Aplicaciones: esculturas, piedra de construcción.; Resistencia mecánica a la compresión: 700-950 kg/cm²; Resistencia mecánica a la flexión: 150-300 kg/cm²
Piedra arenisca: Piedra de construcción, balastro.; Formada por cuarzo cementado con sílice, óxidos de hierro o carbonato cálcico.
Cuarcita: Formada por cristales de cuarzo cementados firmemente. Es una evolución de la arenisca.; Material molturante, firmes de carretera.
Granito: Sus componentes esenciales son feldespato, cuarzo y mica. piedra de construcción, escultura, firmes de carretera, baldosas y losas.; La composición química media del granito es: SiO2 : 72,5%, Al2O3 : 14 %, (Na2O, K2O) : 9.5 %, óxidos: 2 %.; La resistencia en compresión varía entre 5 MPa para las piedras calcáreas las más blandas, y hasta 220 MPa para las piedras las más duras.; La resistencia en flexión varía entre 0,5 MPa y 30 MPa.
Pizarra: Son arcillas consolidadas exfoliables que contienen mica, cuarzo, clorita y materia carbonosa.; La resistencia a compresión es 2 a 3 veces más grande que la de flexión.
Basalto: Roca volcánica formada por feldespatos de granos microscópicos y algo de fase vítrea.; Applicaciones : Esculturas, empedrado, piedra de construcción