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Resistencia mecánica de los áridos ligeros de arcilla

A. G. VERDUCH. Doctor en Ciencias. Investigador Científico del Instituto de Cerámica y Vidrio.

RESUMEN

El objeto de la presente investigación ha sido el de huscar métodos para mejorar las propiedades mecánicas de los áridos ligeros de arcilla.

Se cree que las causas fundamentales de tensión mecánica en el interior de los áridos son heterogeneidad en la presión gaseosa de los diferentes poros, y tensiones en la matriz vitrea originadas por rápido enfriamiento del árido. La existencia de fases cristalinas dispersas en el vidrio puede ser otra fuente de tensiones.

Como medio de mejorar las propiedades mecánicas de los áridos ligeros de arcilla, se ha sugerido la aplicación de tratamientos de templado térmico. Experimentos conducidos a SSO'^C han demostrado que tales tratamientos son eficientes. Evidentemente, la temperatura y tiempo de templado son condiciones que hay que ajustar para cada tipo de árido.

Se ha observado que una pequeña fracción de áridos hace explosión por calentamiento a temperaturas superiores a unos EOO^'C. Se ha sugerido una posible explicación a este fenómeno.

En la última parte de este trabajo se ha hecho una breve discusión de la resistencia mecánica de los materiales de construcción fabricados con áridos ligeros de arcilla.

SUMMARY

The object of the present investigation has been to find out methods for improving the mechanical properties of clay lightweight aggregates.

It is believed that the main sources of mechanical stress in lightweight aggregates are heterogeneity of the gas pressure inside the different pores, and stresses in the glassy matrix due to rapid cooling of the aggregates. The existence of crystalline phases dispersed into the glass may be another source of mechanical stress in the aggregates.

Annealing of the aggregates has been suggesfted as a means of improving its mechanical properties. Experiments at SSO^'C have shown the efficiency of such treatment. Obviously, the annealing tempera-

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ture and time are conditions to be adjusted for each type of aggregate.

It has been observed that a small fraction of aggregates explode by heating at temperatures above 200''C. A tentative explanation for this^ phenomenon has been given.

The last part of this paper includes a short discussion of the mechanical resistance of structural products containing lightweight aggregates.

I. Introducción.

Una arcilla hinchada puede considerarse como un sólido celular de naturaleza esencialmente vitrea. Los poros cerrados contienen parte de los gases desprendidos durante el tratamiento térmico.

Las tres condiciones esenciales requeridas para que una arcilla se hinche son: a) La temperatura empleada debe ser suficientemente alta para permitir la formación de fases líquidas, b) Deben existir sustancias capaces de originar gases a la temperatura seleccionada para el hinchamiento. c) El tiempo debe mantenerse suficientemente corto para evitar que se escapen los gases contenidos en los poros.

Es bien conocido que durante la sinterización de una arcilla, o de cualquier otro material pulverulento, la porosidad abierta disminuye al mismo tiempo que aumenta la porosidad cerrada. Esto es especialmente cierto en los períodos más avanzados del proceso de sinterización. La presencia de fases líquidas facilita la formación de poros cerrados.

Cuando se calcina una arcilla en condiciones oxidantes, pueden formarse los siguientes gases :

a) Vapor de agua (Deshidroxilación de los minerales de la arcilla y combustión de la materia orgánica).

b) Anhídrido carbónico (Descomposición de carbonatos ; reacción de carbo-natos con sustancias existentes en la arcilla o formadas a partir de ella ; combustión de materia orgánica).

c) Oxido de carbono (Combustión de materia orgánica).

d) Anhídrido sulfuroso y anhídrido sulfúrico (Oxidación de sulfuros; descomposición de sulfatos; reacción de sulfatos con sustancias existentes en la arcilla o formadas a partir de ella).

La temperatura de desprendimiento de los gases depende de la naturaleza de la arcilla. Cuando se trata de evaluar la temperatura de formación de gases, por ejemplo, a partir de carbonato calcico, no hay que pensar solamente en las presiones de descomposición del carbonato puro a cada temperatura, sino en

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las presiones de vapor resultantes de su reacción en estado sólido con otros componentes de la mezcla. Así, por ejemplo, el carbonato calcico reacciona con la sílice a velocidad apreciable, liberando CO2, a temperaturas del orden de los óOO 'C, mientras que la descomposición del carbonato puro tiene lugar a temperaturas muy superiores. Análogamente, el sulfato de calcio reacciona con los minerales de la arcilla a temperaturas muy inferiores a la de su descomposición.

Los gases formados a bajas temperaturas, cuando la arcilla aún posee gran cantidad de poros abiertos, tienen muy poca influencia sobre el proceso de hin-chamiento. Los gases realmente importantes para el hinchamiento de la arcilla son aquellos que se desprenden en la zona de temperaturas en que la muestra contiene fases líquidas.

Si se elevase la temperatura muy lentamente, o si el tamaño de la probeta a hinchar fuese muy pequeño, la distribución de temperatura a través de la probeta en cualquier momento sería muy homogénea. En estas circunstancias, la mayoría de los gases que se liberan a temperaturas inferiores a la de formación de vidrio se escaparían a través de los poros abiertos. Los únicos gases que contribuirían al hinchamiento de la arcilla serían los formados a altas temperaturas. La mayoría de los gases originados por descomposición de la materia orgánica, por deshidroxilación de los minerales de la arcilla o por reacción de carbonatos con sustancias presentes en la arcilla, se perderían a temperaturas relativamente bajas.

Aumentando la velocidad de calentamiento, puede alcanzarse un estado en que la temperatura de la superficie de la probeta es suficientemente alta para permitir la formación de fases líquidas, mientras que en el interior aún se está produciendo una activa liberación de gases. Si se alcanza este estado de fusión superficial, es evidente que el hinchado de la arcilla puede realizarse con intervención de gases desprendidos a baja temperatura, que de otra forma se perderían a través de los poros abiertos. Aumentando el tamaño de la probeta se aumenta el gradiente térmico y, por tanto, la probabilidad de ocluir gases liberados a baja temperatura.

Por aumento excesivo de la velocidad de calentamiento o del tamaño de la probeta, puede llegarse al caso extremo de formar una película de vidrio en la superficie, cuando en el interior las partículas arcillosas no han alcanzado más que un estado de sinterización incipiente. De esta forma sería posible utilizar para el hinchamiento la mayoría de los gases desprendidos a baja temperatura, pero las propiedades mecánicas del árido serían muy pobres, debido a la debilidad de las uniones intergranulares en el interior del mismo.

Recientemente, E. G. Ehlers (1) ha realizado un estudio de los gases ocluidos en los poros de los áridos ligeros de arcilla, utilizando un aparato de cromato-


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grafía de gases. Dicho estudio ha demostrado que el anhídrido carbónico es el gas fundamental, aunque con alguna frecuencia también se hallan apreciables cantidades de SO2. Con el fin de determinar el origen del CO2, Ehlers destruyó la materia orgánica de la arcilla y repitió los ensayos de hinchamiento con este material. El resultado fue que la arcilla desprovista de materia orgánica se hinchó prácticamente lo mismo que la arcilla original, lo que demuestra que la materia orgánica tiene poco o ningún efecto sobre el hinchamiento de la arcilla, en las condiciones ensayadas. En un segundo experimento, Ehlers trató la arcilla con ácido clorhídrico diluido a ebullición, con el fin de destruir todos los vestigios de carbonatos. La arcilla así tratada experimentó una gran disminución en su poder de hinchamiento. El resultado de estos dos experimentos parece demostrar claramente que el CO2 ocluido en los poros de los áridos ligeros proviene esencialmente de los carbonatos presentes como impurezas de la arcilla.

II. Orígenes de las tensiones mecánicas en los áridos ligeros.

Vamos a referir nuestros razonamientos al caso más simple de un árido que consiste en una matriz vitrea y una fase gaseosa ocluida.

Durante el rápido calentamiento a la máxima temperatura de formación, es de esperar que se origine una desigual distribución de temperatura a través del árido. La viscosidad del vidrio en las partes interiores será superior a la del vidrio próximo a la superficie. La fase gaseosa ocluida en poros situados cerca de la superficie se expandirá más que la ocluida en poros más internos. Cuando el árido se enfríe, la presión gaseosa disminuirá, pero la presión final que se alcance a la temperatura ambiente no será la misma para todos los poros. La presión en los poros internos será superior a la de los poros superficiales. Las diferentes presiones que actúan sobre ambos lados de una pared que separa dos poros, o un poro y el ambiente, pueden llegar a constituir una importante fuente de tensiones mecánicas en el interior del árido.

Cuando la formación de gases continúa durante el período de enfriamiento hasta temperaturas a las que la viscosidad del vidrio es muy grande, es muy probable que se originen presiones gaseosas anormalmente altas en el interior de los poros.

La fase vitrea misma puede adquirir tensiones mecánicas durante el enfriamiento rápido, debido a las diferentes velocidades de enfriamiento que existen en puntos distintamente separados de la superficie.

Cuando la matriz vitrea contiene fases cristalinas en dispersión, pueden producirse nuevas formas de tensiones mecánicas debido a las diferencias en los

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coeficientes de dilatación de las fases vitrea y cristalina. Esta situación es agravada en algunos casos cuando la fase cristalina dispersa sufre transformaciones con cambio de volumen durante el período de enfriamiento del árido.

En general, un poro cerrado puede desaparecer cuando el gas en él ocluido :

a) Se disuelve en la matriz.

b) Reacciona con la matriz sin formar nuevos gases ; y

c) Se difunde a través de la matriz.

El proceso predominante es peculiar de cada sistema considerado. Si se calentase un árido por un tiempo suficientemente largo a una temperatura a la cual uno o más de los procesos mencionados pudiese desarrollarse a velocidad apre-ciable, todos los poros llegarían a desaparecer, y el árido se transformaría en un cuerpo sólido compacto. Antes de llegar a este estado límite, es posible la existencia de condiciones de temperatura y tiempo que permitan una igualación de presiones gaseosas en todos los poros.

Por consideraciones meramente cualitativas, puede comprenderse que la igualación de presiones en todos los poros del árido puede alcanzarse por cualquiera de los tres procesos mencionados, ya que todos ellos son dependientes de la presión. El proceso de disolución tendrá lugar a mayor velocidad en los poros de mayor presión. Análogamente, las reacciones de la fase gaseosa con la matriz sólida, sin formación de nuevos gases, serán más rápidas en los poros de mayor presión. Si el proceso predominante es difusión, también es fácil comprender .que el gas ñuirá desde los poros de alta presión hacia los de baja presión, hasta que se alcance un estado de equilibrio.

Todas estas consideraciones vienen a indicar que las tensiones mecánicas debidas a desigualdad de presión gaseosa en los diferentes poros, pueden reducirse mediante un adecuado proceso de templado térmico. Este tratamiento proporciona a los gases oportunidad de disolverse, reaccionar o difundirse, facilitando la igualación de presiones gaseosas a ambos lados de cualquier pared que separe los poros entre sí, o éstos del ambiente.

Las tensiones creadas en el vidrio mismo durante el enfriamiento rápido del árido, pueden también reducirse por templado a temperaturas a las cuales es posible la difusión iónica a través del vidrio.

Durante el templado de un árido pueden también producirse procesos de diferente índole, como, por ejemplo, devitrificación y disolución de fases cristalinas en el vidrio. Los efectos que tales transformaciones pueden ejercer sobre las propiedades mecánicas del árido no son fáciles de predecir.


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En resumen, un adecuado tratamiento térmico de templado puede mejorar las propiedades mecánicas del árido por :

a) Igualación de la presión gaseosa existente en los diferentes poros. b) Reducción de los defectos estructurales que fueron formados en la matriz

sólida por enfriamiento rápido.

Además, pueden también producirse alteraciones no predecibles en las propiedades mecánicas como resultado de transformaciones de fase.

III, Parte experimental.

Los experimentos que vamos a describir fueron realizados con el fin de comprobar el efecto del templiado térmico sobre la resistencia mecánica de los áridos ligeros de arcilla.

En primer lugar, los áridos ligeros de arcilla (esferas de 0.4 - 1 mm. de diámetro) fueron separados en tres fracciones según sus densidades. Los límites y rendimientos de tales fracciones fueron los siguientes :

DENSIDAD PESO %

d>l 13.33 l>c/>0.88 68.48

c/<0.88 18.19

Todos los experimentos fueron realizados utilizando la fracción intermedia de densidades, es decir, entre 1 y 0.88.

La resistencia mecánica fue medida en escala relativa sometiendo las muestras a un ensayo de impacto, y midiendo después el aumento de densidad aparente. El ensayo de impacto fue realizado en un troquel cilindrico de acero de 29 mm. de diámetro. La cantidad de muestra utilizada para los ensayos fue siempre 1.5 g. Las muestras fueron ensayadas por impacto de una pieza metálica de 115 g. de peso cayendo desde una altura de 63.5 cm. Una vez realizado el ensayo mecánico, la totalidad de la muestra fue transferida desde el troquel a un picnómetro para la determinación de su densidad aparente. El líquido pic-nométrico usado fue acetato de amilo, que posee una densidad inferior a las esferas más ligeras contenidas en las muestras.

Dado que la densidad del árido utilizado variaba desde 1 a 0.88, era de esperar que las diferentes porciones de 1.5 g. tomadas para realizar los experimen-

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tos, tuviesen densidades sensiblemente diferentes. Los valores obtenidos para las distintas porciones oscilaron entre 0.940 y 0.955. Con el fin de evitar errores introducidos por estas variaciones de densidad de las distintas porciones de la materia prima, cada ensayo de percusión fue precedido de una determinación de densidad aparente de la misma muestra utilizada.

Exactamente el mismo procedimiento fue utilizado en el caso de áridos ligeros templados a 530°C durante 26 horas, en un crisol de platino con tapadera.

Tanto en los áridos ligeros originales, como en los templados, se midió la variación de densidad aparente por impacto a 1, 2, 3 y 4 golpes idénticos. (Tabla I, fig. L)

TABLA I

RESISTENCIA AL IMPACTO DE ÁRIDOS LIGEROS DE ARCILLA

(Densidad aparente 1 > d> 0.88)

SIN ' rRATAMIENTO TÉRMICO

D E N S I D A D

rsumero de golpes (115 g.. 63.5 cm.) Antes del

impacto Despuésdel

impacto Diferencia

1 0.949 1.139 0.190 2 0.943 1.320 0.377 3 0.952 1.478 0.526 4 0.951 1.600 0.649

CON TRATAMIENTO TÉRMICO

D E N S I D A D

Número de golpes (115 g., 63.5 cm.) Antes del

impacto Después del

impacto Diferencia

1 0.948 1.079 0.131 2 0.940 1.242 0.302 3 0.955 1.406 0.451 4 0.949 1.501 0.552

Merece citarse la observación de que cuando se eleva la temperatura del árido por encima de unos 200°C, algunas esferas hacen explosión, lanzando muchas de ellas fuera del crisol o barquichuela. Por cuidadosas determinaciones de densidad del árido antes y después de las explosiones, pudo determinarse que


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la cantidad relativa de esferas explosivas está comprendida entre 0.1 y 1 %. Una primera explicación de este fenómeno podría basarse en la existencia de presiones gaseosas anormalmente altas en los poros de algunas esferas. Tales presiones pueden haberse originado durante el período de enfriamiento que sucede al

o o Q.

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a> T3

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Ê

1 Sin tratamiento térmico ^ O 1 0.6 - 2 Con tratamiento térmico /-

(530**C - 26 hrs.) y^ ^ a 2 0.5 -

0.4 -

0.3 -

0.2 -

0.1 -

1 1 1 I

í 2 3 4

Número de golpes (115 g. - 63 .5 cm.)

FIG. 1.—Resistencia al impacto de áridos ligeros de arcilla.

hinchamiento de la arcilla, si el desprendimiento de gases continuase hasta temperaturas a las que la viscosidad del vidrio es muy alta.

IV. Resultados.

En la Tabla I y fig. 1 se muestran los resultados de una serie de experimentos en los que se ha medido el aumento de densidad aparente de un árido ligero de arcilla, en función del número de golpes dados en el ensayo de impacto.

Como bien podría esperarse, el aumento de densidad aparente crece al aumentar el número de golpes, dado que el volumen total de poros cerrados disminuye por fractura. Un gran aumento de densidad aparente por impacto representa, por consiguiente, una baja resistencia mecánica del árido.

En la fig. 1 pueden fácilmente compararse los comportamientos de los áridos ligeros antes y después del tratamiento de templado térmico. La curva de densidad del árido templado tiene el mismo hábito que la del árido sin tem-

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piar, pero se halla situada apreciablemente por debajo de ella. Esto significa que el tratamiento de templado ha producido una mejora sustancial de las propiedades mecánicas del material.

Antes de trasladar las conclusiones de estas medidas exploratorias al terreno de la producción, deben ensayarse otras temperaturas y tiempos de templado, a ñn de hallar el programa térmico más conveniente.

Con ayuda de un espectrogoniómetro, General Electric XRD-3, se ha estudiado la difracción de rayos X de la muestra antes y después del tratamiento de templado. En ambos casos la muestra consiste en una masa vitrea conteniendo pequeñas cantidades de cuarzo a. En el caso de la muestra templada se ha observado que la intensidad de los picos de cuarzo a disminuye (Tabla II), lo que hace pensar en un proceso de disolución de dicha sustancia en el vidrio durante el templado. El efecto que esta transformación pueda tener sobre las propiedades mecánicas del árido es enteramente discutible.

TABLA II

ANÁLISIS ROENTGENOGRÁFICO DE UN ÁRIDO LIGERO DE ARCILLA

a ' - QUARZO fANDARD)

Á R I D O L I G E R O

(SI - QUARZO fANDARD) Sin tratamiento térmico Con tratamiento térmico

(5WC., 26 horas)

d(Â) I à(k) I d(Â) I

4.26 35 4.29 10 4.29 8 3.34 100 3.37 33 3.37 30 2.46 12 2.47 5 2.47 5 2.28 12 2.29 10 — — 1.82 17 1.82 10 1.82 6 1.54 15 1.55 7 1.55 5 1.37 11 1.38 10 1.38 7

La información que se desprende de los experimentos descritos no permite decidir sobre la relativa importancia de los distintos tipos de tensiones mecánicas en los áridos. La naturaleza de las tensiones predominantes está, en último término, relacionada con la composición de la arcilla y el programa térmico seguido en la formación del árido. La conclusión práctica que se desprende de los presentes experimentos, es que el tratamiento de templado térmico tiene como


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efecto la reducción de tensiones internas, y por tanto, puede ser utilizado con éxito para mejorar las propiedades mecánicas de los áridos ligeros de arcilla.

y. Comentarios finales.

La producción de materiales de construcción conteniendo áridos. ligeros de arcilla supone la adición de sustancias cementicias como, por ejemplo, cemento Portland o arcilla plástica. En el caso de utilizar arcilla plástica, las piezas formadas requieren una posterior cocción.

Las propiedades que se exigen a un ladrillo hecho con áridos ligeros son : Aislamiento térmico, aislamiento acústico, ligereza y resistencia mecánica comparable a la de los ladrillos pesados. La obtención de las tres primeras propiedades es inmediata, pero la consecución de una resistencia mecánica aceptable ya no es tan inmediata, y requiere mayor consideración.

La resistencia mecánica de un ladrillo o bloque conteniendo áridos ligeros depende de las propiedades del :

a) Material cementicio empleado.

b) Árido ligero.

c) Interfase material cementicio-árido ligero.

La fractura de la pieza seguirá preferentemente una de las tres posibilidades límites (fig. 2): 1) Fractura a través del árido ligero; 2) Fractura a través de la sustancia cementicia, y 3) Fractura según la superficie del árido. La fig. 3 muestra una vista imaginaria de las superficies de fractura originadas según las tres posibilidades enunciadas, es decir, cuando predominan las esferas rotas, la sustancia cementicia, o las esferas "peladas". Si prevaleciese el primer caso,

-TTTL

FiG. 2.—Modos preferentes de fractura: A) Según el árido ligero; B) Según la matriz, y C) Según la superficie del árido.

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sería signo de baja resistencia de los áridos mismos ; en el segundo caso, el producto fallaría a causa de las malas propiedades mecánicas del material cemen-ticio; en el tercero, el fallo del producto sería debido a una pobre adherencia entre el árido y el material cementicio.

FiG. 3.—Tipos de superficies de fractura: A) Predominancia de áridos rotos; B) Predominancia de matriz, y C) Predominancia de áridos <ípelados^.

Un simple análisis visual de la superficie de fractura puede señalar claramente el camino a seguir para mejorar las propiedades mecánicas del producto.

Si se trata de ladrillos o bloques de carácter cerámico, no deben pasarse por alto los posibles efectos detrimentales que la explosión de una fracción de los áridos puede tener sobre las propiedades mecánicas del producto. Antes de tomar medidas preventivas, debe comprobarse experimentalmente si dichas explosiones afectan o no sensiblemente las propiedades del producto calcinado.

El autor agradece al Dr. W. E, Brownell su valiosa discusión de este trabajo, y al New York State College of Ceramics, Alfred, N. Y., las facilidades prestadas para la realización de los experimentos.

B I B L I O G R A F Í A

E. G. EHLERS : "An investigation of the mechanism of lightweight aggregate formation." Ohio State University, Columbus, Ohio. Comunicación presentada a la Annual Convention of the American Ceramic Society, Dallas, Texas, 1957.

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