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Revista ingeniería de construcción

On-line version ISSN 0718-5073

Rev. ing. constr. vol.28 no.2 Santiago Aug. 2013

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732013000200001 

 

Influencia de la adición de un 2% de carbonato de calcio en el proceso de fabricación de los ladrillos de cerámica roja: etapas de secado y cocción

Dania Betancourt1*, Yosvany Díaz**, Fernando Martirena**

* Universidad Central de Las Villas. CUBA
** Centro de Investigación y Desarrollo de las Estructuras y los Materiales de Construcción (CIDEM) de la Universidad Central de Las Villas. CUBA

Dirección de Correspondencia


RESUMEN

El trabajo hace un estudio de la influencia de la adición del 2% de carbonato de calcio en la duración de la etapa de secado y la eficiencia de la etapa de cocción durante el proceso de fabricación de ladrillos de cerámica roja. Dicho estudio se realizó en una fábrica que produce ladrillos huecos con una capacidad instalada de 65000 ladrillos por cada quema .Los resultados del estudio realizado demostraron que la adición de un 2% de CaCO3 a la pasta arcillosa disminuye el tiempo de secado en un 35% con respecto a los ladrillos elaborados sin adición y provoca una disminución del consumo de combustible del 27 % con respecto a quemas anteriores realizadas sin la adición de este fundente debido a la reducción del tiempo de cocción en los hornos .

Palabras Clave: Cocción, secado, eficiencia energética, fundentes, ladrillos de cerámica roja


1. Introducción

El proceso de fabricación de los ladrillos de cerámica roja de manera general consta de 5 etapas: Extracción de las materias primas, preparación de las pastas cerámicas, moldeado, secado y cocción. En todas se hace necesario el debido control de la calidad de los procesos.

Es indudable que el cumplimiento de las normas establecidas para cada una de las etapas de fabricación es importante para lograr tanto la eficiencia de estas como la calidad del producto final pero existen dos etapas claves que se enmarcan en los denominados "Procesos térmicos" que influyen significativamente en la eficiencia energética de la fabricación de los productos cerámicos en general, que son las de secado y cocción.

Si bien la cocción está considerada como la parte más importante del proceso de fabricación de los productos cerámicos el proceso de secado es de fundamental importancia. Durante esta etapa se producen diversas transformaciones de las dimensiones y características físicas de las piezas, las que de no transcurrir dentro de ciertas condiciones, producen defectos irreversibles tales como Asuras y deformaciones.

Razón por la cual es necesario optimizar en lo posible la calidad de esta etapa (Sisti, 2002; Sisti, 2004a; Xavier, 2001; Berteli, 2005).

El agua contenida en el cuerpo cerámico puede encontrarse de las siguientes maneras:

• Agua intersticial.

• Agua higroscópica.

• Agua de cristalización y/o composición

El agua intersticial es la que se encuentra entre las partículas de arcilla, débilmente adheridas a las mismas y con posibilidades de migración desde el interior del cuerpo hacia su superficie, por efecto de un gradiente de humedad en el cuerpo. Esta agua es eliminada del cuerpo desde su superficie, por efecto de su disolución en el aire circulante a su alrededor; es decir, que la velocidad de secado está controlada en primera instancia, por las condiciones de humedad del aire de secado (Sisti, 2002; Sisti, 2004a; Xavier, 2001; Berteli, 2005).

Por ello, el agua residual en las piezas cerámicas dependerá de factores como:

• Naturaleza de las arcillas.

• Temperatura del sistema.

• Tiempo de secado.

Tal y como se menciona anteriormente la naturaleza de las arcillas influye en el tiempo de secado; los suelos para hacer ladrillos deben ser suelos arcillo-arenosos con un contenido de arena con respecto al material arcilloso del 25 - 30%, si el suelo no contiene ese porcentaje de arena se le puede añadir directamente esta para mejorar sus propiedades. A este tamaño de partícula presente en el suelo o no, se le suele llamar desgrasantes; son los encargados de disminuir la plasticidad de las arcillas y su retracción al secado, ya que no retienen el agua al disminuir las retracciones bruscas de la masa, que conducen al agrietamiento de los elementos. Otras de sus funciones es la de incrementar la resistencia de las piezas y los mismos deben ser añadidos finamente molidos para no quitar homogeneidad a las pastas (Xavier, 2001).

En la literatura se refiere el uso del carbonato de calcio finamente molido como desgrasante, (Xavier, 2004; Sisti, 2004a; Juarez Badillo, 1972) se dice que actúa dadas sus características físicas y granulométricas como un desgrasante natural que interviene parcialmente en la reacciones que ocurren dentro de los ladrillos, regula en una primera fase el tiempo de secado y posteriormente acelera las reacciones que ocurren durante la cocción (Xavier, 2004).

También se ha reportado el uso del carbonato de calcio finamente molido en muy pequeñas adiciones (en un rango entre el 2-5%) (Betancourt, 2008) con el objetivo de mejorar la eficiencia energética del proceso de cocción sin afectar las propiedades del ladrillo de arcilla roja cocido. Se demuestra que la adición de cantidades de carbonato de calcio que oscilen entre el 2-5% de la masa de arcilla mejora la resistencia a compresión de los ladrillos a temperaturas cercanas a los 900°C, y tiempos de sinterización de 1-3 horas.

Este efecto se atribuye a las modificaciones de las reacciones que se producen en las arcillas durante el tratamiento térmico por la presencia del mineral calcita, que permite que la sinterización ocurra a temperaturas más bajas en las arcillas estudiadas, en cuya composición mineralógica se confirma la presencia de caolinita y motmorillonita (Betancourt, 2008).

El presente trabajo parte del principio de utilizar pequeñas dosis de carbonato de calcio (2% respecto al volumen de la arcilla) como aditivo fundente en la fabricación de ladrillos cocidos con el objetivo principal de estudiar el efecto de dicha adición en la duración de la etapa de secado y en la eficiencia energética de la etapa de cocción de los ladrillos de cerámica roja.

 

2. Discusión y desarrollo

El trabajo experimental se dividió en dos partes. En una primera etapa se estudiaron los posibles efectos que provoca en la etapa de secado la adición de un 2% de CaCO3 molido hasta un tamaño de partícula de 150 |jm. Primeramente se verificaron los cambios provocados en el tiempo de secado, asociados a cambios de la humedad del material y a la contracción volumétrica que experimentan los ladrillos cocidos durante esta etapa del proceso de fabricación.

La segunda fase de la experimentación consistió en medir el consumo de combustible, el tiempo y la temperatura de cocción en un horno de tipo discontinuo con capacidad para 6800 ladrillos en cada quema, con el objetivo de estudiar la influencia de la adición de un 2% de carbonato de calcio en la eficiencia energética de la etapa de cocción. Ambas fases del trabajo experimental se desarrollaron en el Combinado de Cerámica Roja: "Sergio Soto" ubicado en el municipio de Manicaragua, en la provincia de Villa Clara, Cuba.

2.1 Organización de la experimentación

En esta investigación se empleó un material arcilloso proveniente del yacimiento Carranchola, La Moza. El mismo es un depósito de gran tamaño ubicado al noroeste de la localidad de Manicaragua, provincia de Villa Clara. Es un yacimiento con arcillas caoliníticas y montmorilloníticas como se muestra en los ensayos de Difracción de Rayos X (DRX) (Ver Figura 1).

Figura 1. Resultados DRX de la comparación de fases en la roca arcillosa y la fracción arcillosa

El carbonato de calcio utilizado como fundente procede de la cantera de Palenque en el municipio de Remedios en la provincia de Villa Clara. Los análisis realizados por DRX al CaCO3 (Figura 2.), mostraron que las principales fases minerales identificadas son la calcita, además de la presencia de dolomita [(CaMg (CO3)2)], lo cual es muy común, ya que ambos minerales pueden encontrarse juntos dentro de la naturaleza.

Figura 2. Resultados DRX del carbonato de calcio procedente de la cantera de Palenque

2.2 Elaboración de los ladrillos

Se elaboraron ladrillos con y sin adición de carbonato de calcio tanto para el estudio de la etapa de secado como para la etapa de cocción.

Tanto para los ladrillos con o sin adición de carbonato el mezclado de las materias primas se realizó en un molino de paletas, para los fabricados con el 2% de CaCO3 con el objetivo de lograr la dosificación y homogenización adecuada de la pasta del material arcilloso más el aditivo fundente, la medición de la cantidad a adicionar se hizo en volumen, tomando como volumen de referencia el del mezclador. Para añadir el carbonato de calcio se utilizó un recipiente de 0.01m3 de capacidad con el objetivo de medir la cantidad de CaCO3 que se debía suministrar al material arcilloso acumulado en el mezclador (0.7m3), suministrando 0.014m3 de carbonato de calcio por cada amasada (Ver Figura 3).

Figura 3. Adición del CaCO3 al material arcilloso, a) Adición del CaCO3 b) Mezclado del material arcilloso con el CaCO3

Los ladrillos fueron conformados y prensados en una extrusora al vacío con una presión de 7 MPa, después de conformados presentaron una humedad inicial entre 15 y 17%, con dimensiones establecidas de 28 cm de largo, 11 cm de ancho, 7.5 cm de espesor.

El proceso de secado de las piezas con y sin adición de CaCO3 se desarrolló en las naves techadas que posee la fábrica, a la sombra y de manera natural con una humedad relativa del 90 % y una temperatura ambiente de 30°C.

Durante la cocción se utilizó el horno pequeño perteneciente a la fábrica, de funcionamiento intermitente, con quemador colocado en la parte inferior, y capacidad para procesar hasta 6800 unidades en cada quema. Se realizaron dos quemas: una primera denominada patrón o de control a ladrillos sin adición de carbonato de calcio y una segunda a la misma cantidad de piezas a las que se les adicionó un 2% de CaCO3. Para ambos procesos de cocción, se efectuaron mediciones de la temperatura en puntos ubicados en las puertas del horno. El control de la temperatura se realizó mediante la introducción de un sensor de temperatura tipo K marca METRA - 202, colocado en tres orificios (T1, T2, T3), situados en las puertas del horno (Ver Figura 4), en la cual se realizaron mediciones con una frecuencia de una hora.

Figura 4. Esquema del horno con capacidad para 6800 ladrillos

 

3. Discusión de resultados

3.1 Influencia del CaCO3 en el proceso de secado de ladrillos de cerámica roja

En la Figura 5, se muestra la evolución de la variación porcentual de la humedad con respecto al tiempo, tanto para las muestras elaboradas con la adición de CaCO3, como las elaboradas sin el aditivo.

Figura 5. Gráfico de tendencia de Reducción del contenido de Humedad vs. Tiempo de secado de los ladrillos en la fábrica

Claramente se puede observar en las gráficas que el porcentaje de humedad eliminado por unidad de tiempo está fuertemente ligado al contenido de CaCO3. Se evidencia que él % de humedad disminuye desde aproximadamente un 16% (humedad de salida de la extrusora) hasta un 5% (humedad adecuada para entrar al horno) en un tiempo de 5 días para el caso del secado de ladrillos con adición de CaCO3 y en 8 días para el caso de los ladrillos sin adición.

A partir de este resultado se demuestra que el rendimiento alcanzado durante el secado de los ladrillos con la adición de CaCO3 es superior en más de un 35% del tiempo con respecto al secado de los ladrillos sin adición. Este resultado según los autores consultados (Xavier, 2004; Berteli, 2005; Juarez Badillo, 1972) podría indicar una influencia de las materias primas no plásticas como el CaCO3 en las pastas cerámicas mejorando el conformado y cambiando la estructura de los capilares hacia la formación de poros de mayor longitud y conectividad facilitando el secado y la eliminación del agua de composición durante el precalentamiento en la etapa de cocción de los ladrillos, lo cual propicia una posible disminución del consumo energético.

Para verificar de una manera sencilla la anterior aseveración relacionada principalmente con el fenómeno de capilaridad y tamaño de poros, se hace uso del ensayo "Edométrico" o también conocido como ensayo de consolidación de suelos, el cual se aplica en muestras de suelo con y sin adición de CaCO3. En este se verifica la relación de vacíos (e) contra una presión (P) (ver Figura 6), lo que permite aplicando las ecuaciones físicas relacionadas con los efectos capilares provocados por la tensión superficial (Juarez Badillo, 1972) de ahí que se pueda determinar un diámetro de poros equivalente (D0) para cada una de las muestras con y sin la adición de CaCO3. Los principales resultados se muestran a continuación en la Tabla 1.

Tabla 1. Relación de vacíos equivalente (e0) en ladrillos

La Tabla 1 muestra la relación de vacíos obtenida (e0) para cada una de las muestras de ladrillos ensayadas. Al comparar ambos resultados se observó que los ladrillos con una adición del 2% de CaCO3, muestran un ligero incremento de la relación de vacíos (0.62), en comparación con las muestras sin la adición (0.56). Esto manifiesta un aumento de la porosidad en las piezas elaboradas con adición de CaCO3.

A partir de las relaciones de vacíos obtenidas de los ladrillos con y sin adición de CaCO3 y utilizando las curvas del ensayo Edométrico (ver Figura 6), se determinó la presión que debe aplicarse para llegar a cada una de las relaciones de vacíos determinadas anteriormente; la cual permite determinar un diámetro equivalente de poros, aplicando las ecuaciones de Terzaghi, como se muestra en la Tabla 2.

Figura 6. Gráfico de relación de vacíos Vs Presión de compactación

Tabla 2. Diámetro equivalente (D0) en ladrillos

Al comparar los resultados, podría indicarse que la adición CaCO3 al suelo arcilloso utilizado para la fabricación de ladrillos provoca que los capilares faciliten el flujo de la humedad desde el interior hacia el exterior al encontrarse más abiertos en muestras que contienen un 2% de CaCO3; de forma tal, que proporciona una mejor eliminación del agua de poros siendo ésta una de las posibles razones por las que disminuye el tiempo de secado. Estos resultados han sido obtenidos por un ensayo que induce el diámetro de poros a partir de la presión de compactación (Juarez Badillo, 1972).

3.1.1 Influencia del CaCO3 en la contracción durante el secado de los ladrillos

Los resultados anteriores se verifican a partir de la relación entre las variables % de humedad, contracción volumétrica y de la confección de las curvas de Bigot (Tari, 1997) como se muestra en la Figura 7. En primer lugar a pesar de que las curvas de Bigot guardan estrecha relación con la granulometría del material arcilloso (Fernández, 1990), en estos resultados se observó una profunda dependencia debido al uso del CaCO3 como aditivo sobre el mecanismo de secado, pues a pesar de que se trabajó con el mismo tipo de secado la relación de la contracción versus la variación porcentual de la pérdida de humedad siguen trayectorias diferentes.

Figura 7. Gráfico de Perdida de Humedad vs. % Contracción volumétrica (curva de Bigot)

A partir de estas curvas se puede observar que para eliminar un mismo porcentaje de humedad hay una menor contracción en los ladrillos elaborados con adición de carbonato de calcio en comparación con los ladrillos sin la adición principalmente en el rango comprendido entre el 6 y el 13% de humedad, aunque ambos tienen una contracción final similar.

Estos resultados podrían indicar según la literatura consultada (Xavier, 2004; Fernández, 1990; Juarez Badillo, 1972; Cárdenas, 2009) una reformulación de la pasta cerámica a partir de la adición del mineral CaCO3, que actúa como desgrasante o material no plástico, que baja la plasticidad de la pasta y disminuye la contracción debido fundamentalmente a que los desgrasantes pierden agua sin contraer (Xavier, 2004, Juarez Badillo, 1972). Por lo tanto un suelo arcilloso con un aumento del contenido de desgrasante presentará una menor contracción.

Para entender la influencia del CaCO3 en la plasticidad y poder aclarar y/o confirmar la hipótesis hecha anteriormente se decidió entonces realizar un ensayo de plasticidad (Límites de Atterberg) a muestras de suelo arcilloso con y sin la adición de CaCO3. Los resultados se muestran en la Tabla 3.

Tabla 3. Límites de plasticidad de muestras de suelo arcilloso con y sin CaCO3

Al comparar los resultados se observó que las muestras de material arcilloso mezcladas con un 2% de CaCO3 experimentan una disminución en sus índices de plasticidad en un 23,3 %, en comparación con las muestras de suelo arcilloso sin aditivo por lo tanto con el aumento del contenido de CaCO3, la plasticidad es menor y la contracción disminuye, este resultado es consecuente con lo planteado en la bibliografía consultada sobre el tema.(Juarez Badillo, 1972; Xavier, 2004; Sisti, 2004b).

3.2 Evaluación de la influencia del CaCO3 sobre la temperatura, tiempo de cocción y consumo de combustible en la producción de ladrillos

A continuación en la Figura 8 se muestra la evolución de la temperatura con respecto al tiempo tanto de la cocción de ladrillos elaborados con un 2% de CaCO3 como los elaborados sin adición. En estos tipos de hornos no existe un sistema confiable de control de la temperatura y tiempo de cocción, el cual que se subsanó con esfuerzo personal de los autores, los cuales controlaron estos fundamentales parámetros dentro del horno con el empleo de un termopar o sensor de temperatura tipo K marca METRA-202 y la constante vigilancia de las operaciones, en las cuales la pericia del hornero es definitoria.

Figura 8. Curvas de Temperatura de Cocción Vs. Tiempo de las quemas con y sin adición de CaCO3

En las gráficas se observa para ambos procesos de cocción la existencia de dos zonas bien definidas y con diferentes interpretaciones. La primera correspondiente a la etapa de precalentamiento, caracterizada fundamentalmente por un incremento gradual de la temperatura (Tramo A - B) y la segunda etapa, correspondiente a la cocción definida por una temperatura constante que oscila entre los 800 y 950°C ( Tramo B - C). Cada una de estas etapas describe el proceso de cocción las cuales están asociadas con la eliminación del agua cristalográfica (Tramo A - B) y la formación de las fases cristalinas dándole dureza a los ladrillos (Tramo B - C) (Xavier, 2001; Betancourt, 2008; Cultrone, 2004; Vidal, 2001).

Como se puede apreciar en las curvas existen diferencias en cuanto a la duración del proceso de cocción el cual se dio por terminado, tomando como principal criterio la experiencia de los horneros. Durante la cocción de los ladrillos con adición de carbonato de calcio se produjo una reducción del tiempo en 5 horas, en comparación con la quema de ladrillos sin adición, lo que confirma la acción fundente del CaCO3 en las pastas cerámicas cuando se utilizan pequeñas dosis del mismo.

La Figura 9 muestra del consumo de combustible para cada una de las quemas. Se observó una significativa disminución de un 27 % del consumo de combustible para la cocción de ladrillos con adición de un 2% de CaCO3, lo que significa un ahorro de combustible con respecto a la quema control o sin aditivo de 951 litros de combustible por quema. Este resultado es consecuente con la disminución del tiempo de cocción, pero también es influido por el efecto fundente del CaCO3 en pequeñas dosis, descrito en la literatura (Betancourt, 2008).

Figura 9. Consumo de combustible

 

4. Conclusiones

1. Se demuestra que la adición de un 2% de CaCO3 a la pasta arcillosa utilizada para la fabricación de ladrillos, disminuye el tiempo de secado significativamente en un 35% con respecto a los ladrillos elaborados sin adición.

2. Los resu ltados de los ensayos de contracción y plasticidad indicaron que el CaCO3 actúa en las pastas cerámicas como un desgrasante, regulando las contracciones y facilitando la pérdida de humedad.

3. Los resultados logrados indican que la adición CaCO3 al suelo arcilloso utilizado para la fabricación de ladrillos provoca que los capilares faciliten el flujo de la humedad desde el interior hacia el exterior, al encontrarse más abiertos en muestras que contienen un 2% de CaCO3; de forma tal, que proporciona una mejor eliminación del agua de poros, siendo esta una de las posibles razones por las que disminuye el tiempo de secado.

4. La adición de CaCO3 al suelo arcilloso utilizado en la fabricación de ladrillos cocidos, provocó una disminución del tiempo de cocción, lo cual influye en la consiguiente disminución del consumo de combustible en un 27% en comparación con los ladrillos cocidos sin adición.

 

5. Referencias

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E-mail: daniab@uclv.edu.cu

Fecha de Recepción:02/05/2013 Fecha de Aceptación:15/07/2013

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