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MATERIALES DE ARCILLA Y VIDRIO
Introducción: La estructura microscópica de la mayoría de las sustancias sólidas inorgánicas y no metálicas es similar a la de los sólidos metálicos, debido al alto grado de cristalinidad de ambos. Sin embargo, las estructuras sólidas inorgánicas no metálicas son más complejas debido a la disposición de los átomos en los puntos reticulares, y a que en su estructura se pierde un número definido de electrones por átomo, que se transfieren a otro producto del tipo de enlace o unión.
Estos enlaces pueden ser: Ligas o enlaces Primarios (interatómicos): iónicos, covalentes o ligas de Hidrógeno; Ligas o enlaces Secundarios (intermoleculares): Fuerzas de Van Der Walls o Fuerzas eléctricas de repulsión.
La complejidad de las sustancias inorgánicas y no metálicas se aprecia en las estructuras del cloruro de sodio (NaCl) o el cloruro de cesio (CsCl); sin embargo, estos ejemplos son estructuras simples comparadas con las que pueden generar los silicatos , que son la base de los productos de arcilla y vidrio.
NaCl CsCl
LOS SILICATOS:
Son los productos base de las arcillas, vidrios y otros materiales; su unidad básica estructural es el Tetraedro de Silicio: SiO 4 , el cual tiene átomos de Oxígeno en cada una de sus esquinas con un átomo de Silicio en el centro, unidos por enlaces tanto iónicos como covalentes, muy fuertes.
Si se comparte un Oxígeno entre dos Tetraedros se forma una gran estructura tridimensional (Dióxido de Silicio), que tendrá la fórmula SiO 2 , que es la base de las arcillas y el vidrio.
Si los tetraedros se disponen de forma regular y ordenada, el material cristalino que se forma es conocido como cuarzo.
Si en caso contrario, los tetraedros se disponen de manera al azar, el material formado se conoce como hierro silícico, silicato fundido o silicio vítreo.
LAS ARCILLAS.
Los principales ingredientes de las arcillas son:
- Dióxido de Silicio (SiO 2 )
- Alúmina (Al 2 O 3 )
- Agua (H 2 O)
De éstas, el Dióxido de Silicio y la Alúmina tienen temperaturas de fusión altas (individualmente), pero la adición de pequeñas cantidades de una sustancia a la otra hace que la temperatura de fusión combinada disminuya.
El agua de las arcillas secadas al aire puede absorberse sobre las superficies de las partículas arcillosas o quedar enlazada químicamente. El agua absorbida se desprende a temperaturas de hasta 230°F (120°C) y por encima de esta temperatura se elimina el agua absorbida químicamente; al llegar a los 1300°F (705°C) la misma se ha eliminado.
Puesto que las arcillas se forman mediante la acción de agentes atmosféricas sobre las rocas, hay variaciones en sus propiedades, las cuales van a depender de:
- La composición de la arcilla,
- El tamaño de las partículas,
- La forma de las partículas.
La presencia de compuestos de hierro (generalmente óxidos) hace descender la temperatura de ablandamiento y oscurecer el color de la arcilla.
Al iniciar la temperatura de fusión en las arcillas, comienza a formarse vidrio en el producto arcilloso, lo cual va acompañado de un encogimiento, disminución de porosidad, aumento de dureza y aumento de resistencia.
Los productos de arcilla destinados a resistir altas temperaturas deben estar libres de todos los óxidos, excepto los de silicio y aluminio.
Hay varios tipos importantes de arcilla , según sus componentes: 1- Caolín: Son esencialmente alúmina, dióxido de silicio y agua, con pequeñas trazas de otras sustancias; son materiales blancos que producen materiales refractarios de alta calidad y porcelana translúcidas.
LADRILLOS Y REFRACTARIOS
LADRILLOS:
Los ladrillos de construcción se fabrican para satisfacer las especificaciones del uso al que serán destinados, básicamente resistencias a la compresión, la absorción del agua (porosidad) y resistencia a cambios de temperatura.
Los ladrillos se pueden clasificar en: ladrillos de fachada , que son más oscuros, densos y fuertes que los ladrillos comunes, debido a su elevada temperatura de cocción. No absorben tanta agua (menos del 10%) y pueden lograr resistencias a la compresión hasta de 6,000 lbs/pulg2, por lo que se usan en fachadas de edificios donde es necesario resistir la acción del sol y del agua.
Los ladrillos comunes absorben más agua y tienen resistencias a la compresión aproximadas de 4,000 lbs/pulg2; son de uso común en las construcciones (paredes internas, baldosas, etc.)
Otros productos de arcillas son los tubos de desagüe y drenajes, porcelanas y baldosas en general.
REFRACTARIOS:
Son materiales de arcilla o no, capaces de resistir los efectos de las temperaturas elevadas y ataques físicos y químicos.
Los ladrillos refractarios de arcilla están formados por caolinita pura, dióxido de silicio y agua, con una cantidad mínima de sustancias productoras de vidrio. Poseen bajas resistencias ya que su función primordial no es soportar cargas sino confinar las llamas y las temperaturas elevadas; estos ladrillos se deben unir preferiblemente con mortero hecho de arcilla para mantener las características del material en las uniones.
Los productos de arcillas refractarios pueden ser: Refractarios Ácidos (SiO 2 ), Refractarios Básicos (MgO) y Refractarios Neutros (Cr 2 O 3 ).
El vidrio también se puede estirar para formar hilos o filamentos, que se usan para elaborar telas o textiles no combustibles, o refuerzos de plásticos laminados. Filamentos no tejidos (fibras de vidrio) se usan para producir topes aislantes, filtros de aire y refuerzos de plásticos.
CLASES DE VIDRIOS:
Existen básicamente seis (6) tipos importantes de vidrios , según el tipo de minerales que los componen y de las proporciones de los mismos :
1- VIDRIOS DE SODIO Y CAL: Es el más común de los vidrios, compuesto por arena sílica, cenizas sódicas y piedra caliza, en proporciones tales que se disminuye las temperaturas de fusión y ablandamiento, y se reduce la resistencia al ataque químico. Se usan para producir placas, láminas, recipientes, lámparas ligeras, etc.
2- VIDRIOS DE PLOMO ALCALINO: De composición similar al anterior, excepto que toda la cal se reemplaza por óxido de plomo (PbO). El plomo hace aumentar el índice de refracción y el poder de dispersión; además, presentan mejores propiedades eléctricas y de protección contra la radiación, ya que absorben los rayos X y rayos Gamma. Se usan en aplicaciones ópticas.
3- VIDRIOS DE BOROSILICATOS: Se fabrican sustituyendo las proporciones de álcalis y toda la cal por óxido de Boro (B 2 O 3 ), el reduce el coeficiente de expansión en los vidrios comunes, dándoles una alta resistencia a los choques térmicos y mejorando
la no-reactividad química. El Pirex es una marca común y famosa de vidrios de boro silicatos, los cuales transmiten más del 90% del calor que reciben. Se usan en la fabricación de instrumental de laboratorio, utensilios de cocina, ductos o tuberías para productos químicos y sellos no metálicos de baja dilatación.
4- VIDRIOS DE SILICATO ALUMINICO: Contienen 55% de SiO 2 , 20% de Al 2 O 3 y cantidades pequeñas de B 2 O 3 , MgO y CaO , lo cual permite que tengan puntos elevados de fusión y por ende mejor resistencia a las temperaturas elevadas. Se utilizan para tubos de combustión, utensilios de cocina y aplicaciones similares.
5- VIDRIOS DE 96% DE DIOXIDO DE SILICIO: Se fabrican a partir de vidrios de sodio, silicatos y óxido de boro, los cuales se funden y se atacan con ácidos para retirar el sodio. El producto final es un vidrio con 96% de SiO 2 que tiene excelente resistencia a altas temperaturas y a la corrosión, tienen una baja absorción de luz visible y ultravioleta; además, tienen un bajo coeficiente de expansión lo que les da una excelente resistencia a los choques térmicos.
6- VIDRIOS DE SILICIO FUNDIDO: Se fabrican con arena silícica pura; químicamente es una de las composiciones de vidrio más sencillas, aunque es el más difícil de fabricar debido a su elevada temperatura de fusión. Sus propiedades son superiores a las de los vidrios de 96% de SiO 2 , y se usan en aplicaciones críticas que requieren vidrios superiores a aquellos.
- **Dimensionamiento.
- Dureza:** La resistencia al rayado de un suelo de cerámica se mide mediante la escala MOHS.
Dicha escala se utiliza para determinar la dureza relativa de un mineral. Ordena la dureza de diez minerales en función de su capacidad para rayar o ser rayados. Además, está ordenada de menor a mayor, siendo el número 1 el talco como mineral más blando y el número 10 el diamante como el más duro. La escala completa se desarrolla de la siguiente manera:
- Absorción en Cerámicos (ASTM C378)
- Flexión en Cerámicos: ASTM C674 (Baldosas) - ASTM C880 (Piedras)
- **Resistencia a la Abrasión de Baldosas de cerámica vidriada (ASTM C1027)
- PEI** (Porcelain Enamel Institute): Es el índice que mide la resistencia al desgaste (abrasión), provocado por el tránsito de personas u objetos en un objeto esmaltado, definido por la normativa del Instituto de Esmalte para Porcelana. Las cerámicas para pisos se clasifican de acuerdo a su resistencia al desgaste abrasivo (PEI); ésta escala mide la resistencia al desgaste de los esmaltes que recubren la cerámica, clasificando
el material en 5 grados. Desde el Grado 1 (no recomendable para suelos sino para azulejos de pared) hasta el Grado 5 (tránsito muy intenso). ● Tránsito muy ligero (PEI 1): Son baldosas cerámicas esmaltadas, para instalar en ambientes protegidos de agentes abrasivos. Recomendada para dormitorios, salas familiares y baños. ● Tránsito ligero 2 (PEI 2): Son baldosas cerámicas esmaltadas, para instalar en ambientes interiores, viviendas unifamiliares, apartamentos, dormitorios y baños. ● Tránsito medio (PEI 3): Ideal para comedores, salas de estar o estudios de casas individuales. ● Tránsito alto (PEI 4): Especial para interiores y exteriores en ambientes como vestíbulos, pasillos, escaleras, cocinas, terrazas, baños, oficinas, viviendas colectivas y multifamiliares y hoteles. ● Tránsito muy alto (PEI 5): Al igual que el PEI 4 , adicionalmente resiste ataques químicos después de cierto desgaste.
- Resistencia al Deslizamiento y Resbalamiento (ASTM C1028): Se determina mediante un péndulo de fricción, en cuyo extremo está situado un patín deslizante dotado con una lámina de goma. Se sitúa la pieza de prueba sobre la máquina de ensayo, y se deja oscilar sobre ella el brazo del péndulo, que es retenido por la fricción producida entre la lámina de goma (patín deslizante) y la cara vista a ensayar.
