CALES y YESOS

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