EFECTOS F Í S I C O S DEL TRATAMIENTO DE LAS MASAS ARCILLOSAS CON VAPOR DE AGUA

A. GARCIA VERDUCH Instituto de Cerámica y Vidrio Arganda del Rey (Madrid)

RESUMEN

El calentamiento con vapor de las masas arcillosas plásticas constituye una práctica habitual en al­gunas industrias de ladrillos y tejas. Esta operación se realiza con el fin de aumentar la movilidad del agua en el seno de la masa, lo cual estimula su infiltración durante la preparación de la arcilla y durante el moldeo de las piezas.

La elevación de la temperatura de la masa húmeda tiene además el efecto favorable de estimular la expulsión del agua durante la subsiguiente operación de secado.

La homogénea distribución del agua en las masas arcillosas constituye un estado deseable que so­lamente se consigue por la acción de mecanismos de transporte muy complejos. La velocidad de todos estos mecanismos es muy sensible a las variaciones de temperatura.

En el presente artículo se describen los mecanismos de transporte del agua, y se ofrecen varios ejemplos numéricos para ilustrar cómo actúan.

SUMMARY

The steam heating of plastic clay bodies is an extended practice in the brick and tile industries. It is done with the aim of increasing the water mobihty within the mass, in order to stimulate the water infiltration during the body preparation and the plastic forming of the ware. The heating of the green ware has the additional effect of stimulating the driving out of water during the drying process.

The homogeneous water distribution within a clay body is a desirable state which is only achie­ved through the action of very complex transport mechanisms. The rate of these mechanisms is very sensitive to temperature variations.

In the present paper, the transport mechanisms of water are described, and several numerical examples are givem to illustrate their different actions.

RESUME

Le chauffage à vapeur des masses argileuses plastiques constitue une pratique habituelle dans quelques industries de briques et de tuiles.

Cette opération se réaUse a fin d* augmenter la mobihté de 1' eau au sein de la masse, ce qui stimu­le son infiltration durant la préparation de V argile et durant le moulage des pièces. L' élévation de la temperature de la masse humide a, de plus, Teffect favorable de stimuler l'expulsion de l'eau pendant 1' opération subséquente de séchage.

La distribution homogène de l'eau dans les masses argileuses constitue un état désirable auquel on y parvient seulement par l'action de mécanismes de transport très complexes.

La vélocité de tous ces mécanismes est très sensible aux variations de température. Dans l'article présent, on décrit les mécanismes de transport de l'eau, et on offre plusieurs exemples numériques pour illustrer leur façon de faire.

ZUSAMMENFASSUNG

Die Erhitzung bildsamer Tonmassen mittels Dampf ist ein in manchen Industriewerken bei der Herstellung von Ziegelsteinen und Dachziegeln herkömmliches Verfahren. Es wird verwendet, um die Bewegüchkeit des in der Masse enthaltenen Wassers zu erhöhen, wodurch die Durchdringung (Infiltra­tion) während der Tonaufbereitung und des Formprozesses gefördert wird.

Die Erhöhung der Temperatur in der feuchten Masse begünstigt femer in vorteilhafter Weise das Abscheiden des Wassers in der anschhessenden Trocknungsphase.

Die homogene Verteilung des Wassers in Tonmassen ist ein erwünschter Zustand, der sich jedoch nur durch die Wirkung überaus komplexer Transportmechanismen erreichen lässt. Die Geschwindigkeit mit der diese Mechanismen verlaufen, ist sehr stark von den Temperaturschwankungen abhängig und durch sie zu beeinflussen.

In dem hier resümierten Aufsatz werden die Wassertransportmechanismen näher beschrieben; anhand mehrerer Zahlenbeispiele vdrd ihre Wirkungsweise veranschaulicht.

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1. INTRODUCCIÓN

El empleo del vapor de agua en el amasado y moldeo de la arcilla constituye una práctica habitual en las ladrille­rías de numerosos países.

El primer intento con resultados satisfactorios del que tenemos noticias es el reaUzado en 1929 en una planta pilo­to de Koutchinsk (U.R.SJS.). En este intento se introdujo vapor a 3-4 atmósferas en la parte central baja de la mezcla­dora, mediante ocho tubos con orificios protegidos con tela metálica. Parece ser que fue en las ciudades rusas de Khar­kov y Zagorsk donde primero se hizo uso de este procedi­miento. Francia, Inglaterra y Alemania adoptaron poco des­pués la técnica del vapor y contribuyeron notablemente al desarrollo de los conocimientos básicos sobre los cuales se fundamenta, y al perfeccionamiento de los detalles prácti­cos de su aplicación.

Las mayores aportaciones al conocimiento de esta téc­nica han sido reaHzadas en las décadas de los 50 y de los 60, durante las cuales se han pubücado interesantes trabajos (1-23) en las revistas cerámicas más acreditadas.

Un signo del interés despertado por el tratamiento con vapor lo constituye el hecho de que la propia Federación Europea de Tejas y Ladrillos, que agrupa a los organismos profesionales de catorce países, celebrase en París, durante los días 14 y 15 de Noviembre de 1963, un Coloquio Técni­co Internacional, de carácter monográfico, dedicado a la discusión de este tema. En la revista L'Industrie Céramique se ofrece una referencia de estos actos (26) y un resumen de las conferencias presentadas (27).

En uno de los trabajos discutidos en dicho coloquio (33) se exponen los resultados de una encuesta efectuada en veintiséis fábricas francesas en las cuales se utiliza el sis­tema de pasta caliente, y se presentan en forma de tablas los datos referentes a: 1) Tipo y potencia de la caldera; 2) Na­turaleza y presión relativa del vapor a la salida de la caldera; 3) Combustible utilizado; 4) Tratamiento del agua; 5) Natu­raleza de los productos fabricados; 6) Humedad de la mez­cla antes de la admisión del vapor; 7) Lugar donde se inyec­ta el vapor y presión de inyección; 8) Temperatura media de los productos a la salida de la máquina de extrusión, y 9) Valor del vacío obtenido en la amasadora. Después se pre­senta un estudio de los diversos secaderos empleados y se comparan los costos de operación de un mismo secadero trabajando, bien con piezas extrusionadas en frió o bien con piezas extrusionadas en caliente.

Rolf Madel (12), en 1961, señala las siguientes ventajas del empleo de masas calentadas con vapor: 1) Disminución de las tensiones creadas en las piezas durante el secado, con la consiguiente reducción de las pérdidas por este concepto; 2) Estímulo de la difusión capilar; 3) Cambio direccional de la difusión calorífica, haciendo que los flujos de calor y de humedad operen en el mismo sentido; 4) Secado con tem­peraturas iniciales más elevadas, disminuyendo así los tiem­pos de precalentamiento y secado; 5) Disminución del con­sumo de energía eléctrica, incluso con aumento de produc­ción; 6) Mejora del comportamiento plástico de la arcilla y eliminación de defectos estructurales, y 7) Aumento de la resistencia mecánica de las piezas secas y cocidas.

Volker Leupolz (14) (15) (17) describe las ventajas de utilizar vapor para el amasado en relación con las propieda­des de las materias primas y de las condiciones operatorias del proceso. Asimismo explica las características del equipo usado para generar el vapor y para introducirlo en la masa arcillosa, y ofrece unas recomendaciones prácticas para de­terminar la cantidad de vapor necesaria y su temperatura.

Curt Milde (10) ha observado grandes disminuciones en el tiempo de secado utilizando vapor sobrecalentado para el amasado en máquinas de extrusión gemelas, especialmente diseñadas. La máxima temperatura de la columna arcillosa oscila entre 45 y 550C, aunque puede ser superior en algu­nos materiales. Las disminuciones del tiempo de secado han sido, en unas fábricas de un 30% , y en otras de hasta un 60% . En general, con arcillas precalentadas se pueden utili­zar mayores velocidades en la circulación del aire con los se­caderos. Además de estas ventajas operatorias, Milde señala también que la extrusión de masa caliente permite obtener mejores ladrillos y piezas huecas de gran calidad, exentas de grietas.

Heinz Rolke (3), ya en 1956, observó que calentando con vapor la arcilla hasta 60^ -80^, la trabajabilidad de la masa era mucho mejor que la de la masa fría de la misma humedad (18%). Con arcilla calentada logró una disminu­ción del 20% en el tiempo de secado, y la resistencia mecáni­ca en crudo aumentó en un 60%. Al disminuir los esfuerzos de fricción de la masa caliente en las máquinas, el consumo eléctrico y el desgaste también disminuyeron.

Los trabajos de Fritz Hübner (4) (6) han puesto de ma­nifiesto que por acción del vapor se relajan las tensiones in­ternas de la arcilla y se obtiene una masa mucho más homo­génea que la que se obtendría realizando el amasado en frío. Según Hübner, el tratamiento con vapor, no solamente afec­ta a la dinámica de la masa húmeda y de su secado, sino que las piezas así obtenidas pueden cocerse a velocidades mayo­res sin riesgo de rotura. La mejor distribución del agua en la masa arcillosa aumenta su trabajabiHdad y permite la obten­ción de piezas más perfectas, incluso de paredes finas.

H.B. Ries (7) estudia los aspectos teóricos y prácticos del empleo del agua caliente o del vapor para el amasado de las arcillas, y describe los efectos beneficiosos que se produ­cen en cuanto a microestructura y trabajabilidad.

W. Brownell (24) cita los siguientes rasgos característi­cos de la extrusión de masas calentadas: a) Menor presión de extrusión; b) Menor potencia requerida; c) Menor conte­nido de agua; d) Secado más rápido, y e) Menor consumo de energía en el secado.

2 HUMECTACIÓN DE LA ARCILLA

En la dinámica de las interacciones entre el agua y la ár­enla, se pueden considerar dos efectos opuestos: a) Adición de agua a la arcilla (humectación), y b) Sustracción de agua de la arcilla húmeda (secado). Desde un punto de vista for­mal, uno de los procesos es la imagen negativa del otro, pe­ro desde el punto de vista tecnológico, cada uno de ellos tie­ne sus propios rasgos característicos, y así, podemos hablar de la tecnología de la humectación y de la tecnología del se­cado. Como es natural, ambas tecnologías se apoyan sobre un conocimiento único de las relaciones básicas entre el agua y la arcilla.

Los mecanismos por los cuales se produce el movimien­to del agua en la arcilla controlan la velocidad de las diver­sas etapas del secado, y tambi-en -aunque este aspecto es menos conocido- controlan la dinámica de la humectación.

Al secado se le concede gran atención porque el sustra­to de partida es la pieza moldeada húmeda, por ejemplo, un ladrillo recién cortado de la columna de extrusión, y se de­sea llegar a una pieza seca exenta de defectos, tales como deformaciones o grietas.

La humectación, que supone recorrer el camino en sen­tido inverso, ha merecido siempre menos atención porque el sustrato de partida es la arcilla, sin forma, en su estado natural, y el punto final es la misma arcilla, también sin for­ma, con un grado de humedad adecuado para realizar el

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moldeo. La diferencia tecnológica esencial es, pues, que to­do el secado se realiza en piezas moldeadas, y toda la hu­mectación en arcilla sin forma que, por tanto, es menos crí­tica.

A pesar de esta diferencia, que es evidente, el tecnólogo no debe ignorar las desfavorables impHcaciones prácticas que tiene una defectuosa distribución de la humedad en la masa arcillosa.

La primera, y elemental, afirmación que se puede ha­cer, es que el agua contenida en una pieza cerámica recién moldeada en plástico no se evapora tan sencillamente como lo haría el agua contenida en un vaso. Del mismo modo, el proceso inverso, es decir, el mezclado del agua con la arcilla seca, tampoco es tan sencillo como llenar un vaso de agua.

Para comprender la significación real de la homogenei­dad de las masas arcillosas, hay que utilizar necesariamente unas imágenes microestructurales, en las cuales se ponga de manifiesto la magnitud, distribución y disposición de cada una de las fases sólidas, del agua, y también de la fase gaseo­sa que ocupa los poros.

En ningún caso debe utilizarse el concepto erróneo de que la microe structura de la masa arcillosa afecta únicamen­te a las fases sólidas, y que el agua y los poros constituyen meros accidentes pasajeros. La microestructura de la masa arcillosa, por el contrario, tiene un carácter integral, y debe concebirse como el resultado de la concurrencia de todas las fases presentes, sean pasajeras o no. De este modo, la humectación y el secado deben interpretarse, con una visión dinámica, como la lógica evolución de la microestructura, durante la cual, la ganancia o pérdida de agua van acompa­ñadas por una redisposición de todas las fases presentes para configurar una nueva microestructura. Evidentemente, la di­námica de estas redisposiciones está gobernada por unas le­yes físicas, que son las que, en su conjunto, controlan los parámetros tecnológicos de la humectación o el secado.

Existe una abundantísima bibHografía acerca de la composición y estructura de las arcillas naturales, pero aho­ra no es el momento de entrar en su discusión. Nos es sufi­ciente una imagen somera.

Los cristales de los minerales de la arcilla poseen mor­fologías y estructuras bien diferenciadas, que condicionan su actividad y su extensión superficial. Además, dichos cris­tales, obedeciendo a las acciones de sus campos eléctricos superficiales y de las atmósferas iónicas que los rodean, adoptan distintos grados de dispersión o de aglomeración. Por otra parte, la historia mecánica previa de la arcilla pue­de condicionar la existencia de áreas fuertemente orientadas (31) y de aglomerados más o menos endurecidos. A la hete­rogeneidad introducida por la aglomeración de las partícu­las arcillosas hay que añadir la debida a la presencia de mi­nerales accesorios, en granos de finura muy variable, y de sustancias orgánicas de distinta naturaleza, que influyen considerablemente sobre los sistemas coloidales.

La compleja imagen de la morfología de la arcilla en­cuentra su paralela en otra imagen, igualmente compleja, de sus relaciones con el agua. Cuando se alcanza el equilibrio en el sistema agua-arcilla, la disposición geométrica del agua y su energía de retención, están condicionadas por la geo­metría de las fases sólidas, por sus campos eléctricos super­ficiales y por la naturaleza y concentración de los electroli­tos presentes.

Si compleja es la imagen geométrica y energética del agua en la masa arcillosa cuando se ha alcanzado el equili­brio, más complejos son los mecanismos por los cuales se llega a ese equilibrio, sobre todo a niveles de humedad en los cuales coexiste una fase gaseosa dentro de la masa.

Más adelante dedicaremos alguna atención a las diversas fuerzas que condicionan el movimiento del agua que es ne­cesario para alcanzar el equilibrio en el sistema agua-arcilla. También veremos cómo influye la temperatura sobre alguna de estas fuerzas, lo cual es esencial para comprender las di­ferencias de comportamiento de las masas frías y calientes.

Los procesos de homogeneización de la humedad son, por lo general, muy lentos, y no suelen completarse en el corto tiempo que permanece la arcilla sometida al ciclo de fabricación.

La humedad de cantera está bien distribuida, si el fren­te de arranque de la arcilla se mantiene en régimen normal de explotación.

La arcilla que ha recibido un aporte adicional de agua y se ha almacenado durante largo tiempo en un pudridero, también es probable que tenga el agua bien distribuida, al menos mientras no sufra tratamiento mecánico alguno. Cuando esta arcilla es sometida en la fábrica a tratamiento mecánico, sufre una modificación de su estructura, que su­pone una reordenación de sus partículas, y por ello se hace necesario reordenar la posición del agua en la nueva estruc­tura. Esta readaptación del agua a las nuevas estructuras que impone el tratamiento mecánico es más fácil en la masa ca­liente que en la masa fría.

El agua que se añade a la arcilla, ya dentro del ciclo de fabricación, cuenta con poco tiempo para su homogeneiza­ción en la masa. A propósito de si este tiempo es poco o mucho, de si es suficiente o insuficiente, convendría hacer algunas puntuaHzaciones.

Antes de hacer la última adición de agua, la arcilla pue­de estar más o menos seca, según sea la humedad de la can­tera y la existencia o no de acondicionamientos previos. Evidentemente, si la arcilla entra muy seca, habrá que aña­dirle en el último momento más agua que si entra más hú­meda. Esta circunstancia, tan lógica, no debe ser considera­da con superficialidad, porque tiene implicaciones más pro­fundas.

En general, los mecanismos por los cuales se distribuye el agua en los niveles más bajos de humedad, son más lentos que los mecanismos de distribución en los niveles más altos, en cuyo caso existen gruesas películas de agua, de carácter más o menos libre, capaces de fluir fácilmente bajo las soli­citaciones mecánicas.

Si los procesos lentos de acomodación del agua en los bajos niveles de humedad, han tenido lugar en la cantera o en el pudridero, las últimas adiciones de agua que se hacen en la fábrica constituyen la fracción más movible y más fá­cilmente distribuíble.

Por el contrario, si la arcilla entra muy seca en el ciclo de fabricación, la adición de agua que se hace en la fábrica ha de cubrir tanto los niveles bajos de humedad -de lenta acomodación- como los altos, más fácñmente distribuíbles por acción mecánica. En estas circunstancias es probable que la corta duración del amasado no sea suficiente para lo­grar una humidificación homogénea.

El calentamiento de la masa, con vapor o por otro me­dio, estimula la infiltración del agua y, lógicamente, hace sentir más sus efectos beneficiosos en los casos en que las arcillas no posean una adecuada humidificación al entrar en el ciclo de fabricación.

El amasado con agua fría de una arcilla seca granulosa -considerado como caso límite- daría lugar a la aparición de nodulos escasamente humidifícados dentro de la masa. En las mismas circunstancias, el amasado en caliente, por esti­mular los procesos de transporte del agua, daría una masa mucho más homogénea.

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Desde que entra la arcilla en la fábrica hasta que sale por la boca de la máquina de extrusión, está sometida a las más variadas solicitaciones mecánicas, que modifican su es­tructura y obligan continuamente al agua a adaptarse en las nuevas disposiciones mutuas que van adquiriendo las partí­culas.

En el tratamiento mecánico, la masa arcillosa es some­tida a considerables gradientes de presión y de vector de presión que estimulan el flujo del agua de unos lugares a otros.

Por otra parte, como resultado de los tratamientos me­cánicos y de los complejos esquemas de conducción calorí­fica en la masa y en los componentes de las máquinas, se es­tablecen unos gradientes de temperatura.

Las deformaciones que sufre la masa arcillosa van siem­pre acompañadas de orientaciones de sus partículas lamina­res en forma de paquetes más o menos paralelos. La adquisi­ción de estas nuevas estructuras orientadas exige también unas determinadas redistribuciones del agua (31).

Los procesos mecánicos de preparación de la masa plás­tica arcillosa, considerados en su conjunto, persiguen la dis­tribución homogénea de los diversos componentes de la ar­cilla y de la fase acuosa.

Para lograr un buen mezclado de los sólidos, las partí­culas han de sufrir multitud de desplazamientos unas con respecto a otras, y esto se logra mejor en un medio poco vis­coso que en un medio altamente viscoso.

Un ejemplo ilustrativo es el siguiente: Dos arcillas se mezclan bien si ambas están finamente molidas y secas, o ambas se encuentran en suspensión acuosa, que son los dos límites extremos de contenido de humedad, en los cuales los sistemas poseen una alta movilidad. Por el contrario, las

dos arcillas se mezclan mal si cada una de ellas, por separa­do, han sido llevadas previamente al estado plástico.

Estas diferencias de comportamiento de la arcilla al va­riar la humedad, se observan muy bien con ayuda de un plastógrafo Brabender. Este instrumento mide y registra la consistencia del material utilizando el par de torsión que se opone a un motor eléctrico conectado a una mezcladora de dos ejes giratorios, a los cuales se pueden acoplar distintas cuchillas o aspas para agitar la muestra.

El ensayo se comienza con polvo completamente seco, y en esas condiciones se ajusta la lectura del aparato a un valor cero de consistencia. A continuación se va añadiendo agua a velocidad constante, por ejemplo de 0,5 a 1 cc/min.

En la fig. 1 se presenta una curva típica de variación de la consistencia con la humedad, determinada en un ensayo

CO

8 200+

Fig. L

10 15 CONTENIDO EN

Variación de la consistencia de una masa arcillosa en fun­ción de su contenido en agua.

TABLA 1

PROPIEDADES FÍSICAS DEL AGUA ENTRE Oo y 100» C

VOLUMEN TENSION CALOR DILATACIÓN PRESIÓN T (OC) DENSIDAD ESPECIFICO SUPERFICIAL VISCOSIDAD ESPECIFICO TÉRMICA DE VAPOR

(g/cm3) (cm3/g) (dinas/cm ) (centípoises) (cal/g/oc) 106 Û:(OC-1) (mm. Hg)

0 0.99987 1.000160 75.6 1.787 1.00738 -68.14 4.579 5 0.99999 1.000036 74.9 1.519 1.00368 15.98 6.543

10 0.99973 1.000300 74.22 1.307 1.00129 87.90 9.209 15 0.99913 1.000900 73.49 1.139 0.99976 150.73 12.788 20 0.99823 1.001797 72.75 1.002 0.99883 206.61 17.535 25 0.99707 1.002961 71.97 0.8904 0.99828 257.05 23.756 30 0.99567 1.004369 71.18 0.7975 0.99802 303.14 31.824 35 0.99406 1.006000 — 0.7194 0.99795 345.71 42.175 40 0.99224 1.007842 69.56 0.6529 0.99804 385.36 55.324 45 0.99025 1.009881 — 0.5960 0.99826 422.60 71.88 1 50 0.98807 1.012107 67.91 0.5468 0.99854 457.81 92.51 55 0.98573 1.014512 — 0.5040 0.99895 491,32 118.04

1 60 0.98324 1.017089 66.18 0.4665 0.99943 523.38 149.38 1 65 0.98059 1.019833 — 0.4335 1.00000 554.22 187.54 1 70 0.97781 1.022740 64.4 0.4042 1.00067 584.04 233.7 1 75 0.97489 1.025805 — 0.3781 1.00143 613.00 289.1

80 0.97183 1.029027 62.6 0.3547 1.00229 641.27 355.1 85 0.96865 1.032404 — 0.3337 1.00327 668.98 433.6

i 90 0.96534 1.035934 — 0.3147 1.00437 696.26 525.76 95 0.96192 1.039617 — 0.2975 1.00561 723.24 633.90

100 0.95838 1.043453 58.9 0.2818 •

1.00697 ,— ___

750.01 760.00

206

dinámico de esta naturaleza. En esta curva aparecen tres tra­mos muy bien definidos: Un tramo inicial, en el que no se observa más que un insignificante aumento de la consisten­cia. Un segundo tramo, en el que bruscamente aumenta la consistencia, y un último tramo, en el que la consistencia decrece también bruscamente.

En el primero, el agua forma películas de espesor muy variable, que envuelven a las partículas y a grupos de partí­culas, con el efecto macroscópico de una granulación. En el segundo, se introduce agua libre entre los granos, y las atracciones capilares debidas a la tensión superficial del agua van estableciendo una cohesión que aumenta hasta el punto de máxima consistencia. El agua añadida en cantida­des superiores a la que corresponde a este máximo, hace crecer el espesor de las películas de agua libre entre las par­tículas, hasta que desaparece la atracción capilar, y la masa va convirtiéndose en una barbotina. En este estado, la con­sistencia tiende a aproximarse rápidamente al punto cero inicial.

La movilidad es grande cuando la arcilla se presenta co­mo polvo y como suspensión, y muy pequeña en la etapa plástica intermedia.

Es interesante observar cómo influyen las atracciones capilares en el establecimiento del estado plástico de la arci­lla, y qué papel juega la tensión superficial del agua.

R. West (34) ha demostrado el efecto de la temperatura sobre la consistencia de las masas arcillosas, utiUzando un plastógrafo de Brabender debidamente equipado para con­trolar la temperatura de la arcilla durante el ensayo mecáni­co. El trabajo de West ha puesto de manifiesto que la máxi­ma consistencia disminuye al aumentar la temperatura. En un caso concreto, a O C la máxima consistencia es superior a 1000, a 30OC alcanza un valor de 950, y a TO^C, disminu­ye hasta 720.

La experimentación de West contribuye a demostrar los efectos de relajación citados por Hübner (4) (6). El au­mento de la temperatura hace disminuir la rigidez y el espe­sor de las películas de agua absorbidas sobre las partículas, debido al aumento de la agitación térmica. También hace disminuir la tensión superficial del agua (ver tabla 1), lo cual tiende a debilitar la cohesión capilar (35).

Cuando se humidifica una arcilla seca por adición de agua líquida, ésta no se sitúa inmediatamente en las posicio­nes que, energéticamente, corresponden al equilibrio. El agua recién añadida, al menos en parte, se sitúa rápidamente en posiciones metastables y, después, siguiendo procesos lentos como por ejemplo la evaporación-condensación, se transporta gradualmente a sus posiciones de equilibrio.

Un ensayo ilustrativo es el siguiente (32): Sobre una ar­cilla seca y pulverizada se añade una pequeña cantidad de agua, goteando lentamente y homogeneizando a mano en un mortero de ágata. Acto seguido se estudia por ATD el efecto térmico de su secado, y se determina la temperatura máxima del efecto, que llamaremos Ti .

Por un camino inverso, es decir, por desecación de una masa más húmeda, se logra que la misma arcilla tenga un grado de humedad análogo al anterior. El ATD de este nue­vo estado de la arcilla muestra que el efecto térmico produ­cido tiene su máximo a una temperatura T2, que es superior a T i .

Si consideramos que la temperatura del máximo está relacionada con la energía de retención del agua por la arci­lla, veremos que el agua añadida directamente sobre la arci­lla seca, ha quedado temporalmente retenida con energías inferiores a las que le corresponden, lo cual indica que no está en equilibrio.

La existencia de áreas de distinto contenido en hume­dad dentro de una misma pieza es siempre indeseable, tanto

si dichas áreas son extensas como si, por su pequenez, tie­nen carácter textural.

Durante el secado, las heterogeneidades de humedad producen heterogeneidades de contracción, las cuales dan lugar a tensiones locaHzadas que, en algunos casos, sobrepa­san unas determinadas condiciones límites y forman grietas.

Cuando las heterogeneidades de humedad afectan a áreas extensas, pueden causar defectos visibles, tales como alabeos y grietas. Por el contrario, cuando afectan a áreas muy pequeñas, producen micro tensiones o microgrietas, que actúan degenerando las propiedades tecnológicas de las piezas.

3. MECANISMOS DE TRANSPORTE DEL AGUA EN LA ARCILLA.

Con el empleo de masas arcillosas calentadas con vapor o por otros medios se persiguen dos grupos de objetivos principalmente:

a) Los derivados de un mejor acondicionamiento de la masa (mayor homogeneidad, menor presión de extrusión, menor contenido en agua, menor desgaste, mejores propie­dades mecánicas, etc).

b) Los derivados de una temperatura más elevada de la masa al comenzar el secado (cambios profundos en los mecanismos de transporte de materia y de calor durante el secado, menor tiempo de secado, etc.).

Tanto en un caso como en otro, las ventajas se logran esencialmente porque se mejoran las condiciones del trans­porte del agua. En el primer caso, la elevación de la tempe­ratura estimula el transporte del agua y favorece los meca­nismos de la humidificación. En el segundo caso, el estímu­lo del transporte del agua va dirigido a favorecer los meca­nismos del secado.

El amasado de la arcilla con vapor tiene un objetivo único: Aumentar la movüidad del agua por elevación de la temperatura. Con ello se logran los dos efectos beneficiosos deseados, que aparentemente son contrapuestos:

a) Estimular la infiltración del agua durante el amasado b) Estimular la expulsión del agua durante el secado. La razón íntima de todas las ventajas reside, pues, en

los mecanismos de transporte del agua en la masa arcillosa, de los cuales vamos a hacer una breve mención.

3.L Adsorción

Es bien sabido que la superficie de la arcilla seca mues­tra gran avidez por retener agua, que toma, como vapor, de la propia atmósfera. Existen unas fuertes interacciones en­tre las superficies insaturadas de la arcilla y las moléculas di-polares del agua. El espesor de la película de agua adsorbida ha sido calculado en 25 Angstrom por Houwink (29) y en 40 Angstrom por Mattson (29).

Como era de esperar, el agua adsorbida, sometida a in­fluencias tan pecuHares, posee unas propiedades considera­blemente distintas de las propias del agua libre normal. La viscosidad de esta agua es mayor que la del agua normal, y su presión de vapor menor. Por otra parte, las propiedades del agua no son constantes en todo el espesor de la capa ad­sorbida. Algunos autores consideran que la intensidad de la adsorción decrece exponencialmente al aumentar la distan­cia a la superficie de la partícula.

Macey (30) y otros autores han explicado el anormal comportamiento del agua adsorbida sobre la arcilla a una fuerte orientación de las moléculas del agua, y a la forma­ción de una estructura acuosa de tipo hielo.

207

El fenómeno de adsorción se manifiesta muy intensa­mente en las arcillas debido a la gran actividad de su superfi­cie, y a su gran desarrollo superficial. Como es natural, esta capacidad de adsorción varía mucho de unas arcillas a otras, según sea la naturaleza de sus minerales predominantes.

Las fuerzas de adsorción entre la arcilla y el agua, consideradas en sus rasgos más generales, actúan rigidizando el agua y frenando o dificultando su movimiento. Al estar el agua más firmemente retenida, su presión de vapor es me­nor y, por tanto, su velocidad de evaporación también es me­nor. Por esta razón, el transporte del agua por vía gaseosa también se hace más lento.

Tanto la presión de vapor como la viscosidad del agua son afectadas por las variaciones de la temperatura. En las Tablas 1 y 2 se presentan los valores de estas propiedades a

TABLA 2

PRESIÓN DE VAPOR DEL AGUA POR ENCIMA DE lOOo C.

TEMPERATURA PRESIÓN TEMPERATURA PRESIÓN (OC) (mm.Hg) (OC) (mm.Hg)

100 760 116 1309.94 101 787.51 117 1352.95 102 815.86 118 1397.18 103 845,12 119 1442.63 104 875.06 120 1489.14 105 906.07 121 1536.80 106 937.92 122 1586.04 107 970.60 123 1636.36 108 1004.42 124 1687.81 109 1038.92 125 1740.93 110 1074.56 126 1795.12 111 1111.20 127 1850.83 112 1148.74 128 1907.83

1 113 1187.42 129 1966.35 114 1227.25 130 2026.16 115 1267.98

diversas temperaturas para el agua libre. En la fíg. 2 puede verse la variación de la viscosidad del agua entre 0^ y lOO C.

y !//* = :2,I482 Q^ -8,435)+^8078,4+(t-8,435)í¿]-l20

1,6-M =VISCOSIDAD( poises)

1? ' . 4 - t rTEMPERATURAÍ^'C)

5 1,2-O.

c 1,0-O

VISCOSIDAD DEL AGUA

^ 0,8-Q

Û 0,6-

o ^ 0,4->

0,2-

-H H 1 \ 20 40 60 80

TEMPERATURA (^0) Fig. 2 . - Variación de la viscosidad del agua entre 0^ y lOO^C.

3.2. Fuerzas capilares Las fuerzas capilares juegan un papel importante en la

cohesión de las masas arcillosas, y también son causantes del movimiento del agua.

En el caso de un líquido que moje las paredes de un ca­pilar, la altura a la cual asciende dicho líquido viene dada por la expresión:

. 2 ( 7

en la cual: o = tensión superficial (dinas/cm) r = radio del capilar (cm) p = densidad (g/cm^). h = altura de la columna capilar (cm) g =981 cm/seg2.

En la Tabla 1 se presentan los valores de la densidad y de la tensión superficial del agua a temperaturas comprendi­das entre Qo y lOQoC.

Según la fórmula anterior, cuanto más finos son los ca­pilares, mayor es la altura a la cual ascienden los líquidos en ellos. En la fig. 3 se representan los valores calculados para la columna de agua líquida en capilares de radios com­prendidos entre 0,01 M y 1 M a temperaturas de 0^ a lOO^C. En esta figura puede apreciarse el notable aumento de la al­tura de la columna capilar al disminuir el radio. Así, por ejemplo, a una temperatura constante de 20OC, la altura en un capilar de 0,10 M de radio es de 149 metros, mientras que en otro de 0,05M es de 297 metros. Ambos tamaños de poros son frecuentes en las arcillas.

0,05>

Û:200+ <

Û- 1 < I o z o CO

z LiJ O CO <

50f

lOOf

50 f

OJO/U

0,15/6 0,20/x

I / /

20 40 60 80 TEMPERATURA (^C)

I i. . 3.- Variación de la ascensión capilar con la temperatura en poros de radios comprendido entre 0,05 M y 1M

h = rgp (1)

En la misma fig. 3, se observa la influencia de la tempe­ratura sobre la ascensión capilar del agua. En el caso de po­ros de 0,05 M de radio, la ascensión capilar varía desde 297 metros a 20oC, que puede ser la temperatura ambiente, has­ta 275 metros a óO^C, que bien podría ser la temperatura de una masa arcillosa calentada con vapor.

Otro modo de considerar el efecto capilar es a través de la presión hidrostática negativa, o potencial de succión, que se ejerce en el agua que está inmediatamente por debajo del menisco cóncavo del capilar. Este potencial de succión equi­libra a la presión de la columna capilar, hpp y, por tanto, es igual a 2or /r.

En la fig. 4 se presentan los valores calculados de po­tencial de succión del agua en capilares de radios compren­didos entre 0 , O l M y l M . A una temperatura constante de 20OC, el potencial de succión es de 143,7 atmósferas para capilares de 0,01 M de radio. En esta fig. 4 puede apreciarse la variación del potencial de succión entre 0^ y lOO^C.En el caso de poros de 0,05 ju , el potencial de succión es de 28,74 atmósferas a 200C, y de 26,13 atmósferas a óO^C, lo cual supone una diferencia de 2,61 atmósferas en tan sólo 40OC de variación.

Veamos ahora cómo influyen los efectos capilares so­bre la presión de vapor de un líquido que moje las paredes y, por tanto, forme un menisco cóncavo. A igual tempera­tura, la presión de vapor en equiHbrio sobre el menisco cón­cavo, Pe, es menor que la presión de vapor, Pp, sobre una superficie plana del mismo líquido, que es la llamada presión

208

0,05/t

0,10/c

0J5>t 0,20>t 0,25/x

20 40 60 TEMPERATURA (°C)

80

Fig. 4 . - Variación del potencial de succión con la temperatura en poros de radios comprendidos entre 0,05 M y Iß

de vapor de saturación a esa temperatura. En la Tabla 1 se presenta la presión de vapor de saturación del agua a tempe­raturas comprendidas entre Qo y lOQoC. A 20^0 tiene una presión de vapor de 17,535 mm de Hg, y a óO^C, esta pre­sión de vapor sube hasta 149,38 mm de Hg.

Las presiones de vapor. Pe y Pp, están relacionadas con la humedad relativa (%jdel aire en equiHbrio con el menis­co cóncavo, H, mediante la siguiente expresión:

log. (Pc/Pp)=logJH/100) (2)

A su vez, ambas presiones de vapor se relacionan con la presión hidrostática negativa, P, o potencial de succión, me­diante la expresión:

log. (Pc/Pp) =PM/RT (3)

en la cual P es la presión hidrostática, de valor negativo, M es el peso molecular del agua, R es la constante de los gases, y T la temperatura absoluta.

Teniendo en cuenta que la presión hidrostática negativa P es igual a -2a/r , resulta que:

log. (Pc/Pp)= -2aM/pR^r (4)

en donde, como anteriormente, n es la tensión superficial del agua, p su densidad, y r el radio del capilar.

F. Moore (36), haciendo uso de estas ecuaciones, pre­senta en forma gráfica (fig. 5) la relación entre el radio de los poros y la humedad relativa en equilibrio con los menis­cos acuosos, a 25^0.

En esta figura puede verse, por ejemplo, que los menis­cos acuosos de capilares de 80 Angstrom de radio se hallan en equilibrio cuando la atmósfera que hay sobre ellos con­tiene una humedad relativa del 80%. Cuanto más pequeños son los poros, menores son las humedades relativas a las cuales están los meniscos en equilibrio. Un ejemplo práctico de este comportamiento es el siguiente: Cuando se somete un sólido poroso, por ejemplo arcilla, en el cual existen ca­pilares de diversos diámetros, a la acción de una atmósfera de 80% de humedad relativa, los poros de 80 Angstrom de radio se hallan en equiHbrio, según indica la gráfica. En es­tas condiciones, los poros de radio superior a 80 A, van per­diendo agua por evaporación, y los poros de radio inferior a 80 A van ganando agua por condensación. De este modo, el agua se transfiere, vía vapor,desde los poros mayores, cuyos meniscos tienen mayor presión de vapor, hasta los poros

menores, cuyos meniscos tienen menor presión de vapor. Debido a la gran lentitud de este proceso, el equiHbrio se al­canza después de tiempos muy largos y, además, está some­tido a histéresis.

La histéresis en el Uenado de los capilares por acción de la tensión superficial, podría estar relacionada con un efec­to puesto de manifiesto por Haines (37) para el caso de que el radio de los capilares sea una función oscilante de su lon­gitud, como ocurre en los poros que existen en los sistemas particulados.

Según Haines, en estos casos existen dos alturas alterna­tivas de equilibrio para la ascensión del líquido en los capi­lares, de modo que dichos capilares retienen más líquido cuando se vacían que toman cuando se Uenan.

El proceso de vaciado de los capilares grandes por eva­poración y de llenado de los pequeños por condensación, es un caso particular del fenómeno general de transferencia de líquido, vía vapor, entre dos puntos que poseen distinta presión de vapor. Abreviadamente, a este mecanismo se le conoce como "evaporación-condensación" (38) (39).

40 80 RADIO DEL

120 160 CAPILAR

200

Fig. 5 . - Relación entre la humedad relativa de equilibrio y el radio de los capilares según F. Moore (36).

En resumen, las fuerzas capilares, o fuerzas derivadas de la tensión superficial, pueden promover el movimiento del agua de dos modos distintos, uno por vía líquida y otro a través del vapor.

3.2.1. Desplazamiento del agua por vía líquida.

El agua se desplaza por vía líquida desde los lugares donde existe mayor presión hacia aquellos donde existe me­nor presión. Ya hemos visto que la presión hidrostática ne­gativa, o potencial de succión, es mayor en los capilares pe­queños que en los grandes (fig. 4). Por esta razón, en un ma­terial poroso húmedo que contenga poros de diversos diá­metros, el agua tenderá a moverse desde los poros grandes hacia los pequeños, vaciándose los primeros y llenándose los segundos. De este modo, los capilares finos retienen agua mucho tiempo después de que se hayan vaciado los grandes. Para que el agua se desplace mediante este mecanismo, han de existir columnas líquidas continuas, lo cual ocurre sola­mente cuando los cuerpos porosos contienen humedades su­periores a unos determinados niveles.

Si, por ejemplo, existiese comunicación líquida entre un capilar de 0,1 M de radio, que a 20^0 tiene un potencial de succión de 14,37 atmósferas, y otro de 0,25 M de radio.

209

cuyo potencial de succión es de sólo 5,75 atmósferas (fig. 4), el agua se movería desde el grueso hacia el fino impulsa­da por una diferencia de presión de casi nueve atmósferas.

Cuando, a bajos contenidos de humedad, un cuerpo po­roso contiene agua líquida aislada en multitud de pequeños islotes, y no existe continuidad liquida en los capilares, el mecanismo anteriormente citado, que opera por desplaza­miento de liquido, deja de ser válido. En este estado, la transferencia de agua de unos lugares a otros se verifica esencialmente por vía vapor.

Resulta interesante observar el efecto de la temperatura sobre la movilidad del agua.

En un conducto cilindrico, el volumen de agua que flu­ye por unidad de tiempo, expresado en cm^/seg., viene da­do por la siguiente expresión:

(5)

en la cual r, es la viscosidad del agua en poises, p la diferen­cia de presión entre ambos extremos del conducto, expresa­da en dinas/cm^, r el radio, en cm., y 1 la longitud, en cm.

El flujo V es una función inversa de la viscosidad, y la viscosidad, a su vez, varía también inversamente con la tem­peratura.

Con el ñn de obtener una imagen cuantitativa del fenó­meno, se ha realizado el cálculo del flujo para un modelo simple, consistente en un tubo de radio igual a 1 miera, y de 10 mieras de longitud, en cuyos extremos actúa una dife­rencia de presión de 1 dina/cm^.

La viscosidad del agua varía desde un valor de 1,787 centipoises, a O^C, hasta 0,2818 centipoises a lOO^C (Tabla 1).

UtiHzando estos datos de viscosidad, se han calculado los flujos que se muestran en la fig. 6.

20 40 60 80 TEMPERATURA ( ^0

Fig. 6.- Variación del flujo acuoso con la temperatura.

A 20OC, que puede ser la temperatura ambiente, el flu­jo, según el, modelo considerado, es de 3,92 micras^/seg., y a óO^C, que podría ser la temperatura de una arcilla amasa­da con vapor, el flujo es de 8,42 micras^/seg. A 900C, el

flujo es de 12,48 micras^/seg. Resulta, pues, que a óO^C se duplica el flujo, y a 90OC se tripHca.

Estos datos son suficientemente ilustrativos para de­mostrar cómo aumenta la movilidad del agua en el seno de la masa cuando se eleva la temperatura de la misma.

3.2.2. Desplazamiento del agua por vía vapor.

El agua se desplaza por vía vapor desde aquellos lugares donde existe mayor presión de vapor hacia aquellos donde existe menor presión de vapor. La presión de vapor de equi-Hbrio en los capilares finos es menor que en los grandes (Ta­bla 3). Por esta razón existe la tendencia a evaporarse agua en los grandes capilares y a condensarse en los pequeños.

A diferencia del desplazamiento del agua líquida en los capüares, que es un fenómeno rápido, el transporte por vía vapor es lento.

Con el fin de ilustrar numéricamente la disminución de la presión de vapor por efecto capñar, se han realizado los cálculos para el caso del agua, considerando capilares de ra­dios comprendidos entre 0,01 M y 1^ .También se han cal­culado las presiones de vapor correspondientes al equilibrio para todos los capilares, a temperaturas comprendidas entre OoCy lOOoC.

Para este cálculo se ha empleado la ecuación (4), en la cual Pe y Pp son respectivamente, las presiones de vapor en equilibrio con el menisco cóncavo, de radio r, y con la superficie plana del agua, expresadas ambas en dinas/cm2.

Las presiones de vapor correspondientes al equilibrio sobre la superficie plana, a diversas temperaturas, son las in­dicadas en la Tabla 1, aunque expresadas en dinas/cm^. La presión de vapor del agua libre, Pp, varía desde 6,104 x 10^ dinas/cm2, a O^C, hasta 1013,08 x 103 dinas/cm2, a lOO^C.

En la ecuación (4), o. es la tensión superficial del agua, expresada en dinas/cm., M el peso molecular del agua, P la densidad, en g/cm^, T la temperatura absoluta, en OK, y R la constante de los gases (R = 8,31432 x 10^ erg. OK"^. mol-1).

Transformando los logaritmos neperianos en decimales, la ecuación (4) se convierte en:

logPc = l o g P p - 1'8804 ' rTp X 10/

Utilizando los valores de a , Pp y p contenidos en la Tabla 1, se han calculado las presiones de vapor, expresadas en mm. de Hg, en equilibrio sobre capilares de 0,01 M a 1 M de radio, a temperaturas comprendidas entre 0^ y lOO^C. En la Tabla 3 se presentan los resultados.

Resulta interesante observar cómo disminuye la presión de vapor a medida que se van haciendo más finos los capila­res. Tomando como término de comparación la presión de vapor del agua libre, puede verse que la depresión capilar, o disminución de la presión de vapor, es muy pequeña en po­ros de radio superior a O,IM . En poros de 0,0IM la depre­sión es muy acusada.

También debe observarse que, en capilares finos, la de­presión capilar es mucho más importante a temperaturas al­tas que a temperaturas bajas. Así, por ejemplo, a la tempe­ratura ambiente de 200C, la diferencia de presiones de va­por entre el agua libre y el menisco de un capilar de 0,01 M de radio, es de 1,79 mm Hg, mientras que esta diferencia se hace 12,51 mm Hg a óO^C, que sería la temperatura de una arcilla amasada con vapor. Al pasar de 20^ a 60oC,la dife­rencia de presiones de vapor se hace siete veces mayor.

El transporte del agua de un punto a otro, por evapora­ción-condensación, se produce porque existe una diferencia

210

de presiones de vapor entre esos puntos. Por ello, cabe espe­rar que dicho transporte se facilite y se acelere cuando au­mente dicha diferencia. Los datos que se acaban de exponer indican que el aumento de la temperatura de la masa es cau­sa de que se active notablemente el movimiento del agua de unos lugares a otros por vía vapor.

3.3. Diferencias de temperatura.

Cuando se encierra una arcilla humedecida en un reci­piente hermético y se aplica un gradiente de temperatura, se produce un enriquecimiento en agua de las partes más frías y un empobrecimiento de las más calientes. El agua, en este caso, migra por efecto de la diferencia de temperatura.

El transporte del agua por esta causa ha sido estudiado principalmente en árenlas y en otros sólidos porosos en los cuales los poros no están totalmente llenos de agua líquida y, en consecuencia, aún existen espacios ocupados por la fa­se gaseosa (38) (40) (41). En este estado es posible el trans­porte del agua por vía vapor, mediante el mecanismo de evaporación-condensación.

En el caso ideal de que no interviniesen otras acciones perturbadoras, el movimiento del agua sería producido ex­clusivamente por la diferencia de presión de vapor creada por la existencia de una diferencia de temperatura.

Consideremos un sóhdo poroso ideal que tenga todos sus poros del mismo radio, por ejemplo de 0,10 M , y un contenido en agua suficientemente pequeño para que en él existan importantes volúmenes de fase gaseosa. Si en este sólido, encerrado herméticamente, se establece una diferen­cia de temperatura de, por ejemplo, 10< C (lO^C en su parte más fría y 300C en su parte más caliente), las presiones de vapor de agua en esos lugares serán, respectivamente, de 17,35 mm Hg y de 31,50 mm Hg (Tabla 3). Esta diferencia de presión de vapor de 14,15 mm Hg es la causante de la migración del agua hacia las partes más frías.

TABLA 3

Presión de ^ rapor de agua en capilares de 0,01^ a 1 M de radio, a temperaturas comprendidas entre 0« y 1 OOo C.

RADIO DE LOS CAPILARES (mieras) AGUA

TEMPERATURA 0.01 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 1 LIBRE

(OC) PRESIÓN DE VAPOR DE AGUA (mm. Hg)

0 4.06 4.47 4.52 4.54 4.55 4.56 4.57 4.58 10 8.23 9.01 9.11 9.14 9.16 9.17 9.20 9.21 20 15.74 17.16 17.35 17.41 17.44 17.46 17.51 17.53 30 28.74 31.18 31.50 31.61 31.67 31.69 31.80 31.82 40 50.22 54.27 54.80 54.98 55.06 55.12 58.22 55.32 50 84.38 90.81 91.66 91.94 92.09 92.16 92.42 92.51 60 136.87 146.77 148.09 148.54 148.73 148.88 149.25 149.38 70 215.08 229.86 231.81 232.41 232.75 232.97 233.50 233.70 80 328.06 349.44 352.29 353.19 353.64 353.86 354.76 355.10

100 707.58 749.14 754.69 756.19 757.69 758.06 759.57 760.00

3.4. Acciones osmóticas.

Cuando se pone agua en contacto directo con una diso­lución acuosa, se produce una homogeneización del soluto en toda la masa acuosa para dar una disolución de concen­tración uniforme.

Si el contacto entre la disolución acuosa y el agua no fuese directo, sino que se reaÜzase a través de una membra­na semipermeable, que permitiese el paso del agua pero no del soluto, el agua pasaría a través de la membrana aún a costa de producir una determinada columna hidrostática. La presión osmótica de la disolución se mide por la colum­na hidrostática con la cual se establece el equilibrio.

En el caso de las arcillas, también existen acciones os­móticas (29). Por disociación en presencia de agua o por

otras causas, las partículas arcillosas tienden a cargarse nega­tivamente, y estas cargas negativas están compensadas por la presencia de iones positivos en las películas de agua que las rodean.

Cuando en la arcilla existe un gradiente de contenido de humedad, se crea un gradiente de concentración de los cationes que forman la atmósfera iónica, y por ello un gra­diente de presión osmótica, que induce al agua a fluir en la dirección más adecuada para disminuir estos gradientes.

Análogamente a lo que ocurre con la fuerzas capilares, las fuerzas osmóticas también están relacionadas con un descenso de la presión de vapor, lo cual da lugar a que en­tren en acción los mecanismos de evaporación-condensa­ción. En resumen, las fuerzas osmóticas pueden estimular el transporte del agua, bien sea por vía líquida o por vía de va­por.

4. SECADO DE LAS MASAS ARCILLOSAS PREC ALENTAD AS.

Las masas arcillosas precalentadas muestran un com­portamiento al secado muy distinto del que exhiben las ma­sas frías.

Un rasgo característico es que las diferencias de hume­dad entre la superficie y el interior de las piezas, que se ha­llan en alguna etapa intermedia del secado, son menores en las masas precalentadas que en las frías (fig. 7). Esto supone

O o

PRECALENTADO

NO PRECALENTADO

CARA CENTRO CARA Fig. 7.- Gradientes de humedad establecidos durante el secado en

masas arcillosas precalentadas y no precalentadas.

que las masas precalentadas tienden a conservar una más ho­mogénea distribución de la humedad durante el secado y, por tanto, las piezas sufren menos contracciones irregulares. La irregularidad en la contracción es la causa más obvia de las deformaciones y de las grietas. Cada arcilla posee un va­lor máximo crítico de gradiente de humedad, por encima del cual se produce el agrietamiento. Por ello, es convenien­te que a lo largo de todo el secado no se establezcan gradien­tes de humedad excesivamente altos. El amasado con vapor contribuye muy eficazmente a lograr este fin.

211

Otro aspecto interesante a considerar es la intensifica­ción del flujo capilar y, por tanto, la aceleración del secado, por un transporte más eficaz de agua liquida a las superfi­cies de evaporación.

Cuando se seca, por calentamiento, una masa arcillosa fría, el calor se transporta desde fuera hacia dentro, mien­tras que el agua lo hace en sentido opuesto. En masas preca-lentadas sometidas a regímenes normales de secado, el calor fluye desde dentro hacia fuera, en el mismo sentido que lo hace el agua. Esta inversión de la difusión térmica altera profundamente toda la dinámica del secado. Un aspecto práctico que debe considerarse también es que, con masas precalentadas, se puede comenzar el secado a temperaturas más elevadas que con masas frías.

Durante el secado de piezas frías tienden a establecerse importantes gradientes de temperatura, tanto si dichas pie­zas frías son introducidas en un secadero frío y se eleva la temperatura del conjunto, como si son introducidas en un secadero caliente. En ambos casos existe un considerable re­traso de la temperatura del interior con respecto a la tempe­ratura de la superficie.

El caso ideal de minimización de los gradientes térmi­cos ocurre cuando se introducen piezas caHentes en un seca­dero que se halla a la misma temperatura. En ese caso, las características físicas de la masa son iguales en cualquier lu­gar de la misma.

Ya hemos visto cómo influye la temperatura en las pro­piedades físicas del agua y, por tanto, se comprende que los gradientes de temperatura que espontáneamente se produ­cen durante el secado normal sean suficientes para que, en una misma pieza, y a un mismo tiempo, se estén desarro­llando procesos de transporte en condiciones muy dispares. Es decir, no todas las partes de la pieza hacen lo mismo al mismo tiempo.

Cuando se introduce una pieza precalentada en un seca­dero frío, que comienza a calentarse según una curva de cre­cimiento determinada, se observa un comportamiento com­plejo. En principio el ambiente está frío, y la superficie de la pieza se enfría con cierta rapidez, mientras que su inte­rior se mantiene más caliente. Cuando la superficie de la pie­za desciende hasta la temperatura del secadero, el interior aún conserva una temperatura más alta.

Como la temperatura ambiental del secadero sigue aumentando, la temperatura de la superficie de la pieza cre­ce, tratando de seguirla. Entre tanto, la temperatura del in­terior desciende ligeramente, o se mantiene casi constante, hasta que se Uega a una situación en la cual la temperatura del interior coincide con la del ambiente, y la de la superfi­cie queda por debajo. Más adelante se igualan las temperatu­ras de la superficie y del interior de la pieza, quedando am­bas por debajo de la del ambiente. A partir de aquí se pro­duce una nueva inversión, en la cual el interior está más frío que la superficie.

Este es un ejemplo en el cual se producen claras inver­siones de las temperaturas del interior y de la superficie. Además de esta complejidad de comportamiento, el iniciar en frío el secado de piezas precalentadas tiene el inconve­niente de que se produce un enfriamiento neto de las mis­mas.

En general, el secado de una masa arcillosa plástica ocu­rre en dos etapas o periodos:

a) Un primer periodo de velocidad constante de secado, durante el cual la velocidad de ehminación de agua por uni­dad de superficie expuesta es constante.

b) Un segundo periodo de velocidad decreciente de se­cado, durante el cual la velocidad instantánea de elimina­ción de agua decrece continuamente.

En el caso de las masas arcñlosas, se ha puesto de mani­fiesto la existencia de dos periodos consecutivos de veloci­dad decreciente de secado:

— En el primero de ellos, la evaporación del agua aún se produce en la superficie de la masa arcillosa, y la veloci­dad de evaporación depende de la velocidad a la cual puede fluir el agua desde el interior a la superficie, y de la veloci­dad de difusión del vapor de agua desde la superficie de la arcilla hacia el interior de la masa de aire que la rodea.

— En el segundo periodo de velocidad decreciente, la superficie está seca o casi seca. En este periodo la evapora­ción tiene lugar en el interior de la masa arciñosa, y el vapor se difunde por los poros hasta saHr al exterior. La velocidad de secado está controlada principalmente por la velocidad de difusión del vapor en el interior de los capilares.

En resumen, puede decirse que la masa plástica de arci­lla pierde agua, primero por evaporación a partir de su su­perficie húmeda, después por evaporación a partir de dicha superficie húmeda, que gradualmente va disminuyendo su área y, finalmente, por evaporación en el interior del sóHdo.

Durante el secado de las piezas operan dos grupos de factores: a) Factores internos, que afectan al movimiento del agua dentro de las piezas, tales como flujo capilar, difu­sión, evaporación-condensación, etc., y b) Factores exter­nos, que incluyen la geometría de la pieza, las condiciones ambientales y las condiciones de posición.

Durante el periodo de velocidad constante de secado, y el primer periodo de velocidad decreciente, en los cuales la evaporación se produce en la superficie de la pieza, el seca­do depende del transporte de agua, por vía líquida, desde el interior hasta la superficie, y también de todos los factores externos que condicionan la velocidad de la evaporación en la superficie, así como el arrastre de la humedad por la masa gaseosa.

Durante el segundo periodo de velocidad decreciente, la evaporación tiene lugar en el interior del sólido, y el va­por formado por evaporación en los meniscos acuosos, se difunde molecularmente a lo largo de los capilares, hasta al­canzar el ambiente exterior. Además de esta evaporación, se producen movimientos capilares del agua dentro del sólido para adaptarse a las nuevas situaciones que la progresiva eva­poración va creando.

La velocidad de difusión del vapor de agua en los poros es el factor principal que controla la velocidad global del se­cado en este periodo y, por ello, los factores externos, tales como la velocidad del aire, pierden gran parte de su signifi­cación.

La interpretación del comportamiento al secado de las masas arcillosas precalentadas debe hacerse basándose en los siguientes conocimientos: a) Propiedades físicas del agua y su variación con la temperatura; b) Mecanismos de transpor­te del agua en los sólidos porosos y c) Secuencias de proce­sos que operan durante el secado de las arcillas.

Desde el punto de vista práctico, el tratamiento con va­por de las arcillas permite:

a) Disminuir el gradiente de humedad en el interior de las piezas durante el secado, con lo cual se reducen las tensiones internas.

b) Aumentar la resistencia mecánica en seco y dismi­nuir las roturas debidas al secado.

c) Acortar el tiempo de secado.

5. CONSIDERACIONES FINALES

El tratamiento con vapor de las masas arcillosas permi­te obtener dos grupos de ventajas:

a) Mejor acondicionamiento de la masa. b) Secado más racional.

212

5.1. Mejor acondicionamiento de la masa

Con la elevación de temperatura se consigue una mayor homogeneización de los componentes de la arcilla y una mejor distribución del agua en la masa. Estos hechos, a su vez, mejoran la caHdad de los productos, porque son más homogéneos y porque poseen propiedades mecánicas más elevadas. Así, por ejemplo (2), en una masa sin precalentar, la resistencia a compresión del producto cocido ha sido de 165 Kg/cm2 y la densidad de 1,88 g/cm^, mientras que con la misma masa, precalentada a 500C, los correspondientes valores han sido 211 kg/cm^ y 1,91 g/cm^. Otras ventajas complementarias de gran significación son: disminución de la presión de extrusión, menor desgaste y menor contenido en agua de la masa.

5.2. Secado más racional

Al iniciarse el secado con una masa plástica precalenta­da, se disminuyen los gradientes de humedad en las piezas y se invierte el sentido de la difusión térmica. También tien­den a reducirse los gradientes de temperatura dentro de las piezas. En la masa caüente se activan los mecanismos de transporte del agua, por vi'a líquida y por vía vapor, y se acelera el secado. Desde el punto de vista práctico, el resul­tado es un aumento de la caHdad de las piezas secas y un acortamiento del ciclo de secado.

La arcilla amasada con vapor, que sale caliente de la máquina de extrusión, debe ser introducida en el secadero antes de que se enfríe. Si se deja enfriar, se pierden todas las ventajas relacionadas con el secado, aunque subsisten las de­rivadas de un mejor acondicionamiento de la masa.

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