Tema 8 Cerámicas PDF

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Apuntes de Cerámicas Tema 8 con el profesor Eduardo Lahoz....

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T.8 CERÁMICAS 1. “Piedras artificiales” • Por moldeado húmedo y después cocción (sinterización / vitrificación): • Cerámica porosa • Cerámica vidriada • Cerámica vitrificada Pueden tener la apariencia que queramos y nos vamos a tener que fijar en el coeficiente de absorción y en las propiedades mecánicas. 2.1. Material cerámico (de arcilla cocida): “ Piedra artificial ” obtenida en caliente, por cocción (deshidratación irreversible) a temperaturas variables de arcillas, y otros componentes, como arena y/o feldespatos. 2.2. Composición Naturaleza inorgánica formadas por elementos químicos metálicos y no metálicos, unidos principalmente por enlaces iónicos y/o covalentes + 2.3. Propiedades generales: •Son duros y frágiles •Poco tenaces y poco dúctiles •Débil resistencia a tracción. Buena resistencia a compresión •No conducen electricidad ni el calor (aislantes) •Temperaturas de fusión relativamente altas 3. MATERIAS PRIMAS (plásticas y no plásticas) ●

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Materias primas plásticas (arcillas).  Def. composición Definición petrológica: Roca sedimentaria detrítica. Aquella que proviene de rocas preexistentes fragmentadas, transportadas y depositadas por agentes físicos (viento, agua…) Definición mineralógica: Agregados minerales (filosilicatos = silicatos laminares) en su mayor parte), cuyas propiedades físico-químicas dependen de su estructura y de su tamaño de grano, muy fino (< 2 mm) Composición: Principalmente por aluminosilicatos hidratados [silicatos laminares que contienen agua enlazada químicamente (=OH), sílice y alúmina)]. Suelen contener otros minerales en cantidad variable (p.ej. cuarzos, feldespatos, micas, óxidos…). Materias primas: No plásticas (desengrasantes) •Arena silícea (SiO2). Forma el “esqueleto”, evitan retracción incontrolada en la cocción •Feldespatos alcalinos. Fundentes (activan la cocción ahorran aporte de energía y también evitan retracción) •Desfloculante (o dispersante): Impedir aglomeración de partículas arcillosas para conseguir el adecuado comportamiento viscoso de la pasta cerámica con menor cantidad de agua. Tener una masa más trabajable. (Ej. Carbonato de sodio). •Impurezas: Óxidos de bario, calcio, sodio, potasio, y hierro (color)

3.1.3. Tipos de arcillas (según plasticidad). Propiedades Arcillas magras (ojo no marga) • Ricas en arena • Ásperas al tacto • Difíciles de modelar (poco plásticas) • Dan piezas más porosas (no llegan a fundir ni sinterizar) • Con poca retracción • Se corrigen mezclando con arcilla grasa o fundentes (feldespato, sosa, potasa)

Arcillas grasas • Ricas en arcilla • Suaves al tacto • Fáciles de modelar • Difíciles de secar • Dan piezas más resistentes • Mayor retracción y riesgo de rotura • Se corrigen con desengrasantes (arena de sílice o chamota, para evitar retracción)

4. Proceso de fabricación.⭐ 1. Extracción de materias primas/mezclas en mina o cantera. 2. Desmenuzado y molienda primaria (pala excavadora) 3. Esponjamiento en pudridero (nave fría con poca luz) para completar la meteorización, homogeneizar humedad para permitir su amasado y mezcla con agua. 4. Disgregación mediante 2ª molienda (si procede por granulometría requerida). Producción de polvo. 5. Recomposición añadiendo otros ingredientes correctores. Corrección proporción arcilla/arena e impurezas 6. Amasado con agua hasta una humedad total del 20-25% 7. Moldeo: Extrusión de la cerámica cruda a través de molde. Moldeo por conformación hidroplástica. Tras añadir agua el material se vuelve plástico y flexible, pudiendo ser moldeado sin fisuración al atravesar la boquilla •La consistencia de la mezcla agua-arcilla debe ser tal que asegure la estabilidad de la pieza moldeada durante manipulación y secado. Ej: Extrusión Moldeo por prensado: Polvo prensado en matriz metálica. Refractarios. 8. Secado: Difusión de las moléculas de agua hasta la superficie donde ocurre la evaporación Tras conformación hay porosidad y agua remanente (producto verde) • Defectos de secado: distorsiones y grietas. • Riesgo contracción excesiva según: >espesor pieza, > cantidad agua,< tamaño de partícula 9. Cocción: • Pieza llega con una humedad del 3-5% • Temperaturas de 600ºC a 1.400ºC • Hornos continuos tipo túnel con quemadores en techo. Es muy importante que las condiciones estén muy controladas. Una mala cocción produce una retracción, cambio en la volumetría, descomposición dimensional. Condiciones para una buena cocción: • Uniformidad de la temperatura en el horno (sección) • Control de la curva de cocción durante el calentamiento y enfriamiento, ya que pueden presentarse tensiones que produzcan roturas. • Atmósfera del horno controlada. Fases de la cocción • Deshidroxilación • Destrucción de la estructura cristalina de las materias primas • Sinterización, vitrificación, formación de nuevas fases cristalinas

4. Proceso de fabricación. SINTERIZACIÓN Tratamiento térmico de un material policristalino, en polvo o bien compacto, a temperatura inferior a la de fusión del principal constituyente, con el propósito de aumentar su densidad y/o resistencia a través de la unión de las partículas o granos. 4. Proceso de fabricación. VITRIFICACIÓN Sinterización con presencia de fase/s líquida/s además de sólida/s. La densificación se alcanza por el flujo viscoso de una cantidad suficiente de fase líquida como para llenar los espacios ocupados por los poros entre los granos sólidos. 4. Sinterización y vitrificación (cocción de pasta cruda) Aparecen diferentes fases según aumentas la temperatura en el horno de cocción: • 200-450ºC   Arcilla cruda (Al2O3*2SiO2*2H2 O)(A2S2H)+Cuarzo α (SiO2) D  eshidratación de la arcilla e inicio de transformación cuarzo  uarzo β (SiO2) • 450-800ºC Metacaolín (Al2O3*2SiO2)(A2S)+ C • Metacaolín: Pérdida del agua en forma OH y empieza disociar sílice Impurezas calizas pierden CO2. Inicio de sinterización (ver fig.) Espinela (2Al2O3 *3SiO2) (2A3S)+ Cuarzo β (SiO2) Formación de espinela a • 800-1100ºC   partir del metacaolín Espinela inicia la disociación de SiO2 • 1100-1400ºC  Mullita (3Al2O3*2SiO2)(3A2S)+ Cristobalita (SiO2 fundida) Vitrificación de feldespatos. Fase líquida fluye y rellena huecos. Formación de Mullita

4. Proceso de fabricación: Vitrificación • Fundentes pasan a fase líquida, que fluye y rellena huecos. • Temperatura depende de los fundentes. • Evitar completa vitrificación. Cuerpo blando que colapsaría. • Mullita 3A2S 5. PROPIEDADES 5.1. Aspecto visual en general: • Cruda → Ocre oscuro • Cocida: • Rica en alúmina → Blancuzco-amarillo • Rica en alúmina+FeO+MnO → Ocre-siena • Rica en Fe(OH)2/3 → Amarillentos • Rica en FeO → Rojo-violáceo • Rica en FeO+CO3Ca → Rojo pálido

5.2. Sonido limpio y metálico (campanil)= cocción adecuada 5.3. Resistente al agua (absorción de agua adecuada) 5.4. Densos y resistentes a compresión Propiedades. σc vs. T cocción

Retracción vs Contenido agua

Te interesa que la disminución de volumen esté muy controlado se hace con la cantidad de agua de amasado Retracción vs T cocción

Indicios de buena cocción (>950ºc) • Color vivo y uniforme • Sonido metálico o campanil • Coef. abs Ca< 6% (Cuanto menor, mejor para exposición exterior) Pero hay productos cerámicos que alcanzan 18% para que su porosidad asegure la adherencia suficiente del mortero de agarre • Resist. Compresión = 150-600 kp/cm2 (15 – 60 MPa)

6. Tipos de materiales cerámicos • Según materia prima y proceso industrial: 6.1. Cerámica porosa o “basta o “ de alfarería • Ladrillos, bloques, tejas Cocida en el intervalo de temperatura comprendida entre 600 a 900ºC (aprox). • Composición: Arcillas illíticas y caoliníticas arenosas Carbonatos como fundentes: 15-25% Oxido Férrico (color ocre rojizo): 2-5% • Porosidad: Usualmente < 25 % -> Coef. de absorción 12 a 20 % • Productos: Ladrillos, bovedillas, tejas, ladrillos gran formato, bloques de arcilla aligerada (“termoarcilla”) y la terracota Terracota: Cerámica porosa de pasta roja (rica en óxidos de hierro) sin esmaltar, cocida a mayor temperatura. Colores uniformes y duraderos. Ladrillos: Piezas cerámicas ortoédricas, que el albañil maneja con una sola mano, para ejecutar fábricas (muros, tabiques, etc) • Caras: tabla > canto > testa • Aristas: soga (pié) > tizón > grueso • Tipos principales. • Macizo, perforado, hueco • Cara vista y para revestir • Dimensiones (longitud ≤ 29 cm) • Métrica decimal: 24×11’5 x 5,2 cm • Métrica catalana: 29×14 x 6 cm Ladrillos perforados Ladrillos  huecos Ladrillos  huecos de gran formato

Cuanto más masa, más aislamiento acústico voy a tener, tiene que ver con la densidad, no con los agujeros. Ladrillos huecos de gran formato. Uso: Trasdosado, particiones y elementos de separación vert. Machihembrados, con diferente altura y grosor y sección: para solventar alturas libres, aislamiento y resistencia, rozas.

Tejas no esmaltadas o vitrificadas (klinker) Piezas cerámicas de colocación discontinua sobre tejados inclinados y para revestimientos de muros que se obtiene por conformación (extrusión o prensado) secado y cocción de una pasta arcillosa, que contenga o no aditivos. T  ipos de piezas: • Estándar: Para resolver parte general: Teja árabe o curva, Teja marsellesa o alicantina, Teja mixta, Teja plana • Auxiliares: Para puntos singulares • Coordinadas: Encaje dimensional necesario con estándar • No coordinadas: Encaje dim. no necesario con estándar 6.1 Cerámica porosa. Tejas sin capa de esmalte • Teja curva o árabe: Pieza estándar extruida con forma cilíndrica (tras corte parece cónica), y espesor constante, prevista para posición de canal y de cobija. Fabricación: Extracción y trituración, Amasado y extrusión, Corte y secado, Decoración si procede, Cocción. • Teja “plana” marsellesa o alicantina / monocanal: Pieza estándar moldeada de forma plana y espesor variable, conformada para permitir evacuación de agua y apropiados encajes. Fabricación: Extracción y trituración, Amasado, extrusión y prensado, Decoración si procede, Cocción. • Teja mixta de doble encaje: Pieza estándar moldeada con formas curva y plana en la misma unidad, prevista para permitir evacuación de agua y apropiados encaje Fabricación: Extracción y trituración, Amasado, extrusión  y prensado, Corte y secado, Decoración si procede, Cocción. • Teja plana lisa: P  ieza estándar moldeada con forma plana, prevista para permitir evacuación de agua y apropiados encaje. Fabricación: Extracción y trituración, Amasado, extrusión y prensado, Corte y secado, Decoración si procede, Cocción. • Piezas auxiliares coordinadas o no coordinadas Otras piezas:

6.3. Cerámica impermeabilizada (vidriada superficialmente) Cerámica porosa esmaltada superficialmente (impermeabilizada) por una cara, prevista para revestir paredes. También conocida como “Lozas”: Gruesa, media y fina Conceptos: Uso (s. X): mosaicos y revestimientos de paredes , etc. - No adecuada para pavimentos por baja resistencia al desgaste del esmalte (baja dureza) - Fractura terrosa - Nota: C  erámica vidriada ≠ vitrificada • Vidriada: en superficie, con esmalte cerámico (vidrio) aplicado sobre el bizcocho (cerámica porosa) • Vitrificada: en masa 6.3.2. Componentes: Con y sin engobe: Engobe: Capa de arcilla o pasta claras con el que se cubre la cara vista de la baldosa para tapar su tono más oscuro. Esmalte: Capa a base de fritas, aditivos y pigmentos, que funde total o parcialmente a temperaturas superiores a 650ºC, y gracias a esta vitrificación se une íntimamente al soporte (ej. pasta cerámica roja, blanca) Fritas cerámicas: Material vítreo que resulta de un proceso de fundido de una mezcla de materias primas (naturales o sintéticos como óxidos, silicatos, carbonatos, aluminosilicatos, etc.,) a alta temperatura (Tª fusión: 1350- 1550ºC ) en un horno de fusión. El material fundido cae en forma líquida sobre un receptáculo de agua, que enfría la mezcla bruscamente, solidificándola en forma de pequeños trozos de vidrio, de apariencia similar a la de los cristales rotos Pigmentos para cerámica: Polvos de óxidos de diferentes elementos (aluminio, antimonio, cadmio, cinc, hierro, etc), que se mezclan con sustancias orgánicas líquidas con el fin de adherir los colores cerámicos al sustrato. Durante la cocción las sustancias orgánicas desaparecen y los colores cerámicos se funden y reaccionan con la superficie cerámica. TIPOS DE CERÁMICA IMPERMEABILIZADA: Loza común o grosera: • Principalmente a base de arcilla ilítica rica en Fe (bizcocho rojo) • Esmalte transparente o mogate (galena SPb, ClNa, arena, sosa) • Monococción a baja temperatura (≈1000ºC) • Ca: 10 – 20 % • Ej. Vierteaguas de alfarero, útiles de cocina Loza media (bicocción) • Arcilla ilítica rica en Fe (bizc. amarillento- rojizo)-> 1ª cocción (~1000ºC) + Aplicación de engobe + esmalte opaco+decoración + 2ª cocción (~800ºC) • Ej: Azulejo de pasta roja (tradicional), loza sanitaria (en desuso) • C. absorción: 10 – 20 % (cara no esmaltada) • Bizcocho cubierto por una capa de engobe • Esmalte y decoración manual aplicada sobre el esmalte • Ej: Trencadís en Parque Güell • Ej: Escamas cubierta C. Batlló

Loza fina (o blanca). • Arcilla rica en caolín y alúmina (bizcocho blanco) • Esmalte transparente u opaco • Bicocción (~1000-1200ºC) • Ca :15-18 % (cara no esmaltada) • Azulejo (actual) de pasta blanca. Composiciones: • Calcárea: (40-45% caolín, 5-20% carbonato cálcico, 40% cuarzo)Blanca, ligera, blanda • Feldespática: (40-45% caolín, 3-5% feldespato, 40-55% cuarzo). Más dura 6.3. Cerámica impermeabilizada.Recapitulación. azulejo Azulejo: baldosa cerámica con alta absorción de agua por la caras no vista y laterales, prensadas en seco, esmaltadas y fabricadas por bicocción. Cuerpo: Color blanco o claro (ligeramente grisáceo, crema o marfil) o bien rojo, de textura fina y homogénea, siendo poco apreciables a simple vista granos, inclusiones o poros. Las superficies y aristas son regulares y bien acabadas. Cara vista cubierta por un esmalte vitrificado, que puede ser blanco, mono/ multicolor, y puede estar decorado con motivos diversos La gran cualidad de la pasta blanca, es la luminosidad de los colores 6.3. Cerámica impermeabilizada. Tejas • Teja curva árabe esmaltada • Teja mixta de doble encaje esmaltada • Teja plana esmaltada 6.4. CERÁMICA IMPERMEABLE o vitrificada o compacta: Serie de materiales vitrificados, casi impermeables y de gran compacidad • Generalidades: • Materias primas muy seleccionadas • Temperatura de cocción 1200-1500ºC • Mayor grado de vitrificación • Da= 2,3-2,5 g/cm3 • Cabs ≤ 6% TIPOS: • Clínker (klinker) cerámico: Ladrillos, adoquines, plaquetas, tejas • Gres (rústico, esmaltado, porcelánico) • Porcelana Nota sobre ladrillos: • La clasificación entre ladrillos cerámicos, gres y clinker se establece únicamente en el Reglamento Particular de la marca AENOR (voluntaria) para piezas de arcilla cocida HD Categoría I para fábricas vistas. • La clasificación de este reglamento se basa en el análisis de la absorción de agua, densidad y la resistencia a compresión • Ladrillos de gres: Coef. absorción 2000 kg/m3, independientemente de su resistencia a compresión • Los ladrillos clinker tienen las mismas propiedades de los ladrillos de gres y resistencia característica normalizada a compresión ≥ 40 MPa

6.4.2 C  linker cerámico. Composición: Arcillas más finas: • Arena silícea 40-50% • Arcilla caolinítica e ilítica 15-20% • Caliza 7-15% • Chamota, fundentes,otros resto Chamota: Desgrasante cerámico constituido por arcilla cocida y molida, es decir pueden ser restos de cerámica ya cocida y finamente molida

Fabricación. Propiedades. Clinker cerámico • Tº cocción 1200-1260ºC; • Mayor grado de sinterización y vitrificación • Dap > 2 g/cm3  / Rc ≥ 40 MPa / C.abs. < 6 % • Más duros; no heladizos ni eflorescibles • Para fachadas de calidad y obras industriales Usos: - Ladrillos vistos para fachadas (portantes o no) - Adoquines de clínker 6.4.3 G  res. Propiedades. - Escuadrado total - Planeidad - Espesor constante - Calibrado exacto - Resistente a heladas - Resistente a los ácidos - Resistente al desgaste No se adhiere al pavimento con cualquier tipo de pegamento: mortero cola Lo puedo colocar en fachada 6.4.3 G  res porcelánico • Materias primas: Caolinita (a veces ilita)+ Cuarzo +Feldespato • Prensado en húmedo 35-40 MPa • Tº Cocción > 1200ºC 45-60 min → Ca< 0,5% • Hmohs > 5 → Las más duras admiten pulimento 6.4.3 G  res sanitario Productos de baño y cocina (ej: fregaderos, lavabos,…) • Masa porosa a partir de arcillas + chamota • Cubierta por un baño de engobe • Esmaltada superficialmente 6.4.3 Gres. Gresite: Mosaico formado por teselas de pequeño tamaño para revestimiento de piscinas y paramentos • Comp: Caolinita + Cuarzo +Feldespato + Óxidos metálicos 6.4.4 P  orcelana • Producto cerámico completamente vitrificado, duro, impermeable (incluso sin esmaltar), blanco o artificialmente coloreado • Composición Caolín + Cuarzo + Feldespato • Ejemplo: Porcelana sanitaria: Ca< 0,75% • Fabricación: • Moldeo de barbotina • Desmoldeo • Secado + Esmaltado • Barbotina Cocción . Suspensión de arcilla y/o otros minerales no plásticos en agua

6.4. Cerámica impermeable/impermeabilizada. DESIGNACIÓN UNE-EN 14411 para baldosas cerámicas

Nota: El esmaltado te da una porosidad nula en la superficie que se aplica, una capa con engobe o no. 6.5. Cerámica refractaria: Son materiales que tienen alta resistencia y estabilidad mecánica e inercia química a temperaturas altas (en general superiores a 1400ºC). 6.5.1. Ladrillos refractarios. Propiedades • Materiales capaces de soportar altas tº y ataques químicos, sin fundir ni descomponerse. • Buena inercia térmica y durabilidad química. • A partir de arcillas y polvos cerámicos especiales. • Bajo coeficiente de dilatación. • Buena resistencia física y mecánica a alta temperatura. • Dap= 2-3 g/cm3; • Buena resistencia química. DURABILIDAD 7. El ladrillo y otras piezas Ladrillos hidrofugados • Tratamiento con siliconatos que repele la humedad, reduciendo la absorción de agua líquida pero permitiendo la permeabilidad al paso del vapor • Por aspersión: únicamente por una cara • Por inmersión: Toda la masa • Reduce la aparición de eflorescencias, helacidad, suciedad… • Menor adherencia con mortero, no deben mojarse.

7.1. Defectos (en ladrillos / en fábrica de ladrillos) De fabricación • Rebabas (argamasa) • Retracciones: Disminuciones fuera de tolerancia de volumen por la cocción. • Fisuras • Caliches

Debidos a la patología de los edificios • Agua: • Heladicidad • Ataque de sales: Eflorescencias o Criptoeflorescencias • Falta de apoyo / Estabilidad

7.1. Defectos (ladrillos): Eflorescencias: Depósitos superficiales formados por cristalización de sales muy solubles en agua, que aparecen en forma de velo y situadas en el centro o los bordes de la cara vista del ladrillo, e incluso a veces la junta de mortero. Cuanta más calidad de ladrillo menos riesgo de eflorescencias Cristalizaciones de sulfatos potásicos (cristalizaciones prismáticas planas) y sulfatos sódicos (cristalizaciones redondeadas) 7.1. Defectos (ladrillos): Criptoeflorescencias: depósitos interiores en los poros del material, y son más peligrosas que las eflorescencias ya que en combinación con agua y hielo puede producir deterioro del material. La mayoría se eliminan mediante lavado con agua o productos adecuados para su eliminación y cepillado. No son superficiales, aparecen en los poros interconectados, cuanto más poros más riesgo. 7.1. Defectos (ladrillos): Desconchamiento por caliches Caliche o inclusión calcárea: Son defectos causados por la expansión de partículas o granos de óxido de calcio (cal viva), procedentes de caliza en la composición de la mezcla y producidas durante la cocción, que al hidratarse por meteorización, expande su volumen: CaCO3 + Cocción CaO + CO2 CaO + H2O → Ca(OH)2 Para la determinación de inclusiones calcárea es la norma UNE 67039. Ejemplo de especificaciones: • de cada 6 piezas, el número de piezas desconchadas no será >1 • ningún desconchado tendrá una dimensión media superior a 15 mm

7.2. Durabilidad de materiales cerámicos. Generalidades Nota: Véase definición ...