cerámica - La Salle

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Sesión 1/4
Asignatura
Clave Máster y Curso
CERÁMICA
MATERIALES
Construcción I. Materiales y técnicas. 1r curso
Área de Construcción
Curso 2015-2016
Revisión 03/03/2016
Autores: Xevi Prat
00
INTRODUCCIÓN
0. INTRODUCCIÓN
CERÁMICA > del griego “keramos” > “tierra quemada”
01
LA ARCILLA Y EL AGUA
1. LA ARCILLA Y EL AGUA
1.1 Origen de la arcilla
La tierra :
ROCA SEDIMENTARIA DE ORIGEN DETRÍTICO Y
PRIMARIAS
Se encuentran en el lugar de donde proceden  más puras
 caolín
SECUNDARIAS
Se han formado a lo largo del tiempo separándose de las
rocas de origen, transportadas por el agua y el viento y
sedimentando a casi nunca son puras
Impurezas  FUENTE DE RIQUEZA Y VARIEDAD DE
ARCILLAS , de colores de texturas y propiedades
- Minerales detríticos : Cuarzo , Feldespatos , Carbonatos
, Sulfatos otros.
- Óxidos de hierro, aluminio y de Magnesio
- Materia orgánica.
1.2 Propiedades
1.2 Propiedades
Filosilicatos  ESTRUCTURA LAMINAR
Está formada fundamentalmente por minerales arcillosos , es decir
, por SILICATOS DE ALUMINIO HIDRATADOS.
La fórmula genérica es del tipo :
Al2 O3 . m SiO2 . n H2O (Donde 0,3 > m > 8 y 0,5 > n> 19 )
Los minerales arcillosos están constituidos por tetraedros de SiO4
con los vértices de sus bases unidos formando capas que pueden
enlazar por cationes formando estratos y estos pueden unirse
entre ellos por moléculas de agua.
 son capaces de absorber una cierta cantidad de agua y
aumentar así su volumen con el que también varía su
plasticidad
02
LA CERÁMICA
2. LA CERÁMICA
Neolítico VII a C. Anatolia (Turquía)
2. La cerámica. Proceso de fabricación: obtención de la “piedra” artificial
2.1 HUMECTACIÓN Y AMASADO
la arcilla y el agua
2.2 CONFORMACIÓN
molde y forma
2.3 SECADO
la porosidad
2.4 COCCIÓN
la cerámica
2.5 ESMALTE
2.6 OTROS INTERVENCIONES
2.1. Humectación y amasado: la arcilla y el agua
2.1 humectación. La arcilla y el agua
LA ARCILLA: Al2 O3 · m SiO2 · n H2O (Donde 0,3> m> 8 y 0,5> n> 19)
AGUA DE CONSTITUCIÓN: Vemos que el agua no está combinada químicamente, aunque sea parte
integrante de la molécula.
CAPACIDAD DE EMBEBER AGUA: Lo hace de dos maneras diferentes:
Por ABSORCIÓN:
El agua se distribuye homogéneamente por toda la masa a nivel molecular llegando a
formar una suspensión coloidal.
Por ADSORCION:
Las partículas se adhieren a las superficies de las partículas laminares de la arcilla
debido a fuerzas residuales del tipo:
Físico (fuerzas de Van de Waals) Químico (Transferencia de electrones entre la arcilla y
el agua)
EFECTOS DEL AGUA
al añadir agua  incremento de la plasticidad
 admiten volumen de agua de un 20% del volumen aparente no moldeo manual
 del 20% al 40% más plástico moldeo manual
 LÍMITE: Incremento superior de agua hasta llegar a la pérdida de la cohesión y la plasticidad comportándose
como un líquido y finalmente como una suspensión coloidal
al añadir agua  aumento de volumen
50% en las ilitas y de hasta un 1.600% en las arcillas bentónicas
Estos fenómenos de aumento y disminución de volumen debido a la absorción de agua, son reversibles.
CALIDAD DEL AGUA
El agua debe ser lo más pura posible para que no aparezcan eflorescencias por las sales.
2.1 humectación. Plasticidad
LA PLASTICIDAD
La plasticidad de una arcilla depende de:
 del tamaño del grano de las partículas constituyentes. Cuando más pequeñas son las
partículas, más plástica será la masa.
 de la forma laminar de las partículas constituyentes. La forma laminar, al permitir la
presencia entre las láminas de agua de adsorción, juega un papel importante en su plasticidad.
Esta adsorción se produce por la afinidad entre la arcilla y el agua, es decir, para que el agua
moja la arcilla y se obtiene una masa plástica.
ARCILLAS GRASAS Y ARCILLAS MAGRAS
Las arcillas grasas
- En beberse el agua forman masas muy plásticas
- Admiten bien las operaciones de moldeo.
- Presentan problemas de adherencia a los materiales que están en contacto con ellas como
por ejemplo los moldes, dando lugar por tanto a problemas en el momento de desmolde.
- Presentan problemas de contracción por secado.
Las arcillas magras.
- No presentan gran plasticidad
- No presentan facilidad de moldeo.
- No se adhieren a las superficies de los moldes.
- No sufren grandes contracciones en el proceso de secado.
2.2 conformación. Manual. Prensado mecánico. Extrusión
2.2 conformación. Manual. Prensado mecánico. Extrusión
Manual + molde
Se coloca la pasta a mano dentro del molde
Se comprime con prensadora , dando forma a la pieza
El molde : de elaboración sencilla. permite variaciones
Manual + turno
Se coloca la pasta a mano el turno
Se hace girar el torno, dando forma a la pieza manualmente
El turno : permite hacer sólo piezas de generatriz de revolución
Prensado mecánico
Material sometido a tratamiento de moldura vía seca o vía húmeda hasta una granulometría muy fina
según el producto a elaborar.
El granulado se somete en molde sobre el que se ejerce una fuerza de 600 a 1.400 Tn que conforma la
pieza con la forma y espesor determinado
Los moldes son metálicos de gran exactitud dimensional. Son más rígidos y complejas debido a la
presión que ejerce la máquina.
Mayor coste y variedad más reducida
Extrusión
Consiste en hacer pasar la columna de pasta en estado plástico, a través de una matriz que forma una
pieza de sección constante.
Quedan limitados por el diseño de la matriz
2.3 secado
2.3 secado
Durante el periodo de secado se elimina por evaporación natural del agua ( de absorción o de adsorción )
embebida en la masa de la arcilla
Se produce un proceso de contracción del volumen y de aparición de porosidad . Es un proceso
REVERSIBLE .
PRIMERA FASE
SEGUNDA FASE
TERCERA FASE
La masa es compacta
Reducción volumen = eliminación
agua
En una masa de arcilla - agua (55%
arcilla - 45% agua), se experimenta
una disminución del volumen de un
6%.
La masa es compacta
La contracción no mantiene relación
directa con la pérdida de agua.
Se puede llegar a perder un 22% del
volumen
No se produce contracción
Nula aparición de poros
No aparece aire dentro la masa de
arcilla.
Aumenta volumen de poros
Se produce infiltración de aire dentro
de la masa de arcilla-agua.
El aire substituye parte del agua que
ha estado expulsada.
Aumenta volumen de poros
Se secan los hielos y aunque no
continúen la contracción
aumenta el volumen
de
poros.
El secado es un proceso que se produce en la superficie de la pieza y requiere un control exhaustivo.
El exceso de velocidad de evaporación de agua en superficie, puede provocar tensiones elevadas y
consecuentemente una fisuración y resquebrajamiento .
Para conseguir un buen secado es importante que no haya presencia de aire dentro de la masa, ya que
obstruye la red de capilares y por tanto, el flujo de agua desde el núcleo hacia la superficie de la pieza de
que se trate.
Si para favorecer el secado se calienta la pieza, en la eliminación de aire, se puede producir la ruptura
debido a la dilatación de las bolsas de aire.
Un método recomendable es el de secado por cámaras de vacío, controlando la humedad relativa del
aire y su temperatura. De esta forma se consiguen piezas cerámicas menos porosas sobre todo
interesantes en casos como el de las tejas.
2.4 cocción. La cerámica.
Escritura Cuneiforme. Mesopotamia. 3000 aC
2.4 cocción. La cerámica
La cocción de la arcilla produce , dependiendo de la temperatura, cambios físicos y químicos, modificando
momentáneamente las características físicas del material o la aparición de nuevos materiales con
características propias. El proceso de cocción provoca desde cambios de fase, oxidaciones, sinterizaciones y
vitrificados . Es un proceso IRREVERSIBLE en el que se produce pérdida de agua y una disminución de la
porosidad y del volumen.
HASTA 200ºC
DE 200-450 ºC
DE 450-650 ºC
PÉRDIDA AGUA
PÉRDIDA AGUA
PÉRDIDA AGUA
De adsorción:
casi toda
adsorción: toda
CONTRACCIÓN
CONTRACCIÓN
CONTRACCIÓN
CONTRACCIÓN
Importante
contracción
Importante
contracción
Continua la
contracción: por
aproximación de
una manera lenta
de les partículas.
Continua la
contracción: por
aproximación de
una manera lenta
de les partículas.
Pérdida de la
plasticidad
Pérdida de la
plasticidad
PROCESO
PROCESO
CANVIS QUÍMICS
REVERSIBLE
IRREVERSIBLE
Aparece: Silicato
de alúmina
anhídrid:
METACAOLÍ
libre y de
absorción: tota
de adsorción:
parte
DE 650-850 ºC
DE 850-950 º C
+DE 1700 ºC
CAMBIOS
QUÍMICOS
CANVIS
QUÍMICS
Descomposición
del Metacaolín
transformándose
en MULITA
Continua el
proceso de
producción de
MULITA
FUSIÓN DE
LA
CERÀMICA
2.4 cocción. Tipos de cerámica según la temperatura de cocción
850-1000 ºC  TERRACOTA
Compuesta por arcillas plásticas uniformes de grano fino, pueden tomar formas muy diversas. Apto para
aplacados decorativos y escultura.
1100-1300 ºC  GRES Y LOSA
EL gres es un material duro, compacto e impermeable obtenido por la cocción a temperaturas muy elevadas,
hasta la vitrificación. Arcillas similares a las refractarias. El gres puede ser objeto de vidriado durante su
cocción añadiendo una sal
1300-1450 ºC  PORCELANA
Porcelana vitrificada es un producto cerámico obtenido por primera cocción hasta 1250ºC, de arcillas
especiales, que incluyen, generalmente, caolín, un posterior esmaltado y finalmente sometidas a una última
cocción a temperatura inferior. Presenta una perfecta unión entre el bizcocho (o galleta) y el esmalte.
1300-1800 ºC  CÉRAMICA REFRACTARIA
Se obtiene a partir de cerámica refractaria que contienen esencialmente silicatos de aluminio y muy pocas
impurezas, admiten temperaturas de cocción de 1600ºC. El producto obtenido puede resistir altas
temperaturas. Se utiliza para la construcción de hornos, hogares y chimeneas.
CERÁMICA VITRIFICADA O VÍTRIO: Dar calidad vítrea a un cuerpo cerámico por cocción a elevada
temperatura. Afecta a toda la masa. La cerámica vitrificada tiene cualidades similares a las del vidrio:
fragilidad, escasa o nula porosidad.
2.5. Esmaltado
Totxana de 7 cm
(ceràmica)
2.5. Esmaltado
El esmalte consiste en la aplicación por diferentes métodos de una o varias capas de vidriado con un
cm que cubre la superficie de la pieza.
espesor comprendido entre 75 y 500Totxana
micras de
en 7total,
(ceràmica)
El hecho de que la temperatura de fusión de la arena (silicio) y la de cocción por obtención de cerámica sean
similares, hace que esta combinación se haya realizado a lo largo de la historia.
Este tratamiento se realiza para aportar al producto cocido una serie de propiedades técnicas y estéticas,
tales como:
- Impermeabilidad
- Facilidad de limpieza
- Brillo
- Color
- Resistencia química y mecánica
- Resistencia a la abrasión
Composición
Está compuesto por productos mineral, principalmente sílice, colorantes y fundentes, que por cocción vitrifica
y se adhiere (unión termoquímica) inseparablemente el cuerpo de la pieza.
La naturaleza de la capa resultante es esencialmente vidriosa, aunque en muchas ocasiones incluye
elementos cristalinos en su estructura.
Monococción y bicocción
Una vez conformada la pieza cerámica y sequía:
Bicocción: Es el proceso más antiguo. Se cuece la pieza cerámica para obtener el cuerpo de apoyo del
esmalte. Una vez aplicado se somete a una segunda cocción
Monococción: Es el más utilizado. El esmalte se aplica sobre las piezas crudas y se sometido a una única
cocción.
2.6. Otras intervenciones y alteraciones
Las técnicas de producción y fabricación de cerámica permiten intervenir en algunos de los procesos de
Totxana de 7 cm
producción.
(ceràmica)
La tierra
La arcilla. Se puede decidir la composición. Se pueden mezclar. En general, se puede intentar utilizar arcillas
próximas para evitar transportar materia mineral y reducir costes y contaminación.
Aditivos y sustitutivos mediante la introducción de otro material
Materiales que desaparecen durante la cocción
Plásticos, poliestireno, lana de roca, fibra de vidrio .... Al introducirlos en la masa de la arcilla con la cocción
por encima de los 1000 ºC, se funden dejando cavidades con poros mejorando las propiedades.
EX. Termoarcilla: mezcla de componentes granulares que se volatilizan a partir de 850oC sin dejar residuos.
Provoca porosidad controlada y uniforme, repartida por toda la masa del bloque.
Materiales que se mantienen después de la cocción:
Materiales que se adhieren o se licua, como podría ser el vidrio o también de otros como restos de cerámica.
03
PRODUCTOS Y SISTEMAS ASOCIADOS
3. PRODUCTOS Y SISTEMAS ASOCIADOS
Ladrillo calado (cerámica)
Ladrillo
agujereado de 7 cm (cerámica)
Revoltón cerámico (cerámica)
3.1 ladrillos
3.2 bloques de termoarcilla
3.3 REVOLTONES
3.4 TEJAS
3.5 AZULEJOS
3.6 PLACAS. Obra en seco
3.6 placas. Obra en seco
Polideportivo Universidad Jaime I de Castellón. Basilio Tobías
3.6 placas. Obra en seco
Galeria de arte en Walsal. Caruso & St.John Architects
3.7 PREFABRICADOS
CUBIERTAS
FACHADAS
3.8 OTROS. ALEROS , LAMAS ORIENTABLES
3.9. MATERIALES DE AISLAMIENTO TÉRMICO
ARLITA
GRANULAR O AGLOMERADOS DE CEMENTO CON ARLITA
Fabricación: arcilla volcánica que al cocerse se expande
Energia de fabricación: ???
Formato: Aplicación como granular
Hormigones en los que el árido es la ARLITA
Productos prefabricados con ese hormigón (bloques, paneles, etc..)
04
PROPIEDADES
4. Propiedades
4.1. Características químicas derivadas de la cocción
4.1.1. Porosidad
La porosidad en el proceso de cocción de las arcillas, va disminuyendo a partir de que aumenta la temperatura
(MAYORES CONTRACCIONES), hasta llegar a la compactación total en el momento en que se produce la
vitrificación de la masa. La porosidad es máxima al final del proceso de secado (ver pérdida de agua en el secado
de la arcilla)
4.1.2. Sales
Bien por presencia dentro de la roca o por aportación con el agua de amasado muchas veces encontramos sales
dentro de estas masas de arcilla. Estas sales pueden degradarse en el proceso de cocción o pueden aparecer
después en forma de eflorescencias o en forma de subflorescencias, al entrar en contacto con agua de la
atmósfera (lluvia o terreno). Estas eflorescencias afean las obras de fábrica y pueden dar problemas de
degradación de las piezas a cristalizar (subflorescencias, criptoflorescències).
Cloruros: Se descomponen a partir de 750ºC
Sulfatos: CaSO4 tiene poca importancia por su poca solubilidad. MgSO4 .; Na2SO4; K2SO4: Son
mucho
más peligrosos pero se descomponen a temperaturas elevadas (750ºC)
Carbonatos: CaCO3; MgCO3. En el proceso de cocción se transforman en óxidos CaO, que al
combinarse con el agua se hidratan transformándose en hidróxidos con aumentos importantes de
volumen que pueden producir la degradación y resquebrajamiento de las fábricas. Si los granos de
carbonato de calcio o magnesio son pequeños pueden combinarse con los silicatos durante la
cocción de las cerámicas
4.1.3. Impurezas orgánicas
No es aconsejable su presencia: se calcinan durante el proceso de cocción, lo que produce un aumento de la
porosidad en la masa.
4.2 Propiedades físicas y de aplicación
4.2.1 Porosidad . Se define como relación entre el volumen de los poros y el volumen total. No es aconsejable utilizar para el
exterior piezas de porosidad superior al 12 %. En la porosidad interviene la forma y el tamaño de los poros, así como la
comunicación que se establece entre ellos y con el exterior. La porosidad se reduce al aumentar la temperatura de cocción,
piezas con cocción superior a los 1000 ºC presentan valores de succión pequeños.
4.2.2 Succión : En ningún caso una pieza cerámica podrá tener un grado de succión ≥ 0,45 g / cm2 por minuto
4.2.3 heladicidad : Todas las piezas colocadas directamente en contacto con el ambiente exterior , es decir sin un revestimiento,
deberán estar garantizadas por el fabricante contra el posible efecto de las heladas. La resistencia a las heladas vendrá
determinada por el tamaño de los poros y por la temperatura de cocción.
4.2.4 Eflorescencias: Todas las piezas colocadas directamente en contacto con el
ambiente exterior, es decir sin un revestimiento, deberán estar garantizadas por el
fabricante contra eflorescencias producidas por el agua de lluvia o del terreno que muchas
veces incorpora sales solubles que reaccionan con los óxidos de Calcio (CaO), que al
combinarse con el agua se hidratan transformándose en hidróxidos con aumentos
importantes de volumen que pueden producir la degradación y resquebrajamiento de las
fábricas
4.2.5 Resistencia mecánica: Los ladrillos son resistentes a compresión, pero no a tracción
y cortante. Si la pieza cerámica debe formar parte de un muro de carga su resistencia a
compresión será ≥ 100 Kp / cm2 Si la pieza cerámica es de una pieza agujereada su
resistencia a compresión será ≥ 50 Kp / cm2 4.2.6 Aislamiento térmico: Puede variar según
el tipo de cerámica, su densidad, la humedad ambiente, el envejecimiento y el tipo de
ladrillo.
4.2.7 Aislamiento acústico: Para sonidos transportados por el aire es bueno y varía según
la densidad y el grosor. El aislamiento puede reducirse en muros de fábrica por los juntos
defectuosos.
4.2.8 Permeabilidad al vapor de agua: Depende de la absorción de agua de la baldosa y
el tipo de articulaciones. La densidad más alta, el menor permeabilidad
4.2. Propiedades físicas y de aplicación
4.2.9. Resistencia química: Ante los óxidos tiene un comportamiento estable. Ante las sales solubles transportadas por el agua
de la atmósfera pueden aparecer eflorescencias y sub-eflorescencias. La cerámica de buena calidad y con una porosidad
inferior al 12% y colocada con morteros adecuados tiene un comportamiento satisfactorio.
4.2.10. Resistencia al fuego: muy buena, ya que las temperaturas de cocción son más altas que las que normalmente se
producen en un incendio.
4.2.11. Mantenimiento y envejecimiento: la obra de fábrica no requiere mantenimiento y presenta un envejecimiento estable si
se controla su resistencia química.
4.2.112. Color: Depende del tipo de arcilla, de la temperatura de cocción, así como del tipo de atmósfera del horno (oxidante o
reductor).
Cuando las arcillas son ricas en alúmina, son de color blanquecinos. Los óxidos ferrosos y férricos, los carbonatos y sulfatos
proporcionan variaciones de color importantes. El color depende de las proporciones de estos materiales, de la temperatura de
cocción y de si la llama del horno es oxidante o reductora.
Los óxidos férricos y óxidos de calcio combinan con el silicio y la alúmina dando lugar a coloraciones rojizas. Un aumento de la
temperatura puede variar la tonalidad de rojo a ocre, incluso blanquecino.
Ejemplos:
Ladrillos fabricados con arcillas pobres en óxidos de hierro presentan un color blanco - amarillento.
Ladrillos fabricados con arcillas ricas en óxidos de hierro presentan un color rojo - violeta.
Ladrillos fabricados con arcillas ricas en carbonato cálcico y hierro presentan un color anaranjado.
Ladrillos fabricados con arcillas ricas en carbonato cálcico presentan un color amarillento.
Con cocciones mayores a 1200ºC los ladrillos adquieren tonalidades oscuras.
El color, por lo tanto, no es un indicativo de la calidad ni de la cocción de las piezas cerámicas.
4.3. Propiedades medioambientales
- Extracción de la materia prima: el impacto medioambiental de la extracción es considerable
- Fabricación: Si la materia prima está cerca de la fábrica de ladrillos (fábrica de ladrillos) y ésta de la
obra, el transporte no tiene mucha repercusión. Si nó es así, este incrementa la cantidad de energía
incorporada. El impacto ambiental más destacado es la cocción de la arcilla. Actualmente hay ladrilleras
que utilizan gas metano procedente de vertederos para sus hornos (ej. Piera), con lo que la energía
necesaria no varía pero su origen sí, y son más respetuosas con el medio ambiente, al quemar un
residuo no aprovechable Las arcillas que tienen tratamientos esmaltados o vitrificados (con una segunda
cocción) o los que precisan de altas temperaturas para su fabricación (gres, porcelana) tienen un
impacto mucho mayor, como puede verse en el cuadro. La cerámica común tiene los valores más bajos
pero, por el contrario, es la que tiene un volumen y -por tanto- un peso más importante en los edificios y,
consecuentemente un impacto medioambiental mayor.
- Fase de uso: su mantenimiento es muy bajo, envejecen poco y bien y no necesitan más que limpieza.
Su durabilidad es muy alta, propiedad favorable a un buen comportamiento medioambiental.
- Reciclado: es posible de reciclar la mayoría de cerámica, básicamente como áridos o cargas para
pavimento, una vez triturada.
VALORES
energía
incorporada
MJ/Kg
Cerámica (ladrillos)
2,32
Cerámica refractaria
2,50
Cerámica vidriada
7,20
Gres extruido
8,35
Gres extruido esmaltado 10,90
Gres porcelánico
10,90
Porcelana (sanitarios)
27,10
emisiones CO2
equivalentes
Kg CO2/Kg
0,18
0,19
0,54
0,63
0,82
1.02
2,03
05
FUENTES DE INFORMACIÓN
5. FUENTES DE INFORMACIÓN
Construir la arquitectura. Del material en bruto al edificio. Un manual
(A.Deplazes) Ed. GG
Diccionario Visual de Arquitectura
(Francis D.K. Ching). GG.