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TEMA 4. LAS PIEDRAS ARTIFICIALES: MATERIALES CERÁMICOS
- Introducción a las piedras artificiales.
Vamos a considerar como piedras sintéticas tanto a las cerámicas y a los vidrios como a los materiales conglomerantes. Podemos dividir las piedras artificales según su forma de obtención:
■ En caliente:
- Las cerámicas, que se dividen en dos grupos según su materia prima constituyente: las convencionales (arcilla) o las vítreas o vidrio (sílice).
■ En frío:
- Materiales conglomerantes que necesitarán ser hidratados.
Las piedras artificiales tienen cualidades que las hacen más funcionales: suplen la escasez de la piedra natural, son más fáciles y baratas de obtener, se trabajan por adicción y no por corte por lo que no se desperdicia material. Además podemos darlas diferentes propiedades estéticas o funcionales en el proceso de síntesis como de color o de durabilidad.
LA CERÁMICA
Es uno de los primeros materiales que sintetiza el hombre. La primera presencia aparece en el Neolítico y se presenta en todas las demás épocas en adelante. Los asirios y los persas crean las primeras vasijas de cerámica vidriada. Los griegos utilizaban ánforas. En Roma se realizaban piezas con asas y refractadas. En la Edad Media la cerámica pierde su esplendor, pero vuelve su uso en España con el Islam. En China se descubrió la porcelana, que es una cerámica de gran calidad realizada con caolín. Los europeos en la lucha por encontrar la técnica de fabricación de la misma descubrieron las lozas. Ya descubierta la técnica de la porcelana china en el siglo XVIII, se empieza a comercializar.
La materia prima que forma la cerámica sufre una transformación que será estructural, por lo que pasado un período no podremos volver a obtener esta materia prima después de este cambio producido por la cocción. Es un proceso irreversible.
- Los materiales arcillosos.
1.1. Estructura: arcillas laminares y fibrosas. 1.2. Propiedades específicas de las arcillas. 1.3. Clasificación de las arcillas. Arcillas de uso cerámico. 1.4. Arcillas de uso no cerámico. Aplicaciones en restauración: bentonita, sepiolita, atapulgita, vermiculita exfoliada y perlita expandida.
La arcilla es un material natural con muchas aplicaciones. Es un material muy abundante en la naturaleza, que hace de él un recurso inmediato, barato y sencillo de extraer para el hombre; remontándose su uso a tiempos Prehistóricos. Se ha usado directamente o como soporte de escritura (tablillas).
La tierra en superficie tiene mucha cantidad de arcilla. La arcilla está formada por silicatos alumínicos hidratados: n Al 2 O 3. m SiO 2. x H 2 O (óxidos de silicio y de aluminio hidratados/ combinaciones de sílice y de aluminio hidratados). Tendrá por lo tanto una composición compleja (siendo n, m y x el número de moléculas).
Al ser un material laminar se forma por un conjunto de sedimentos, procedentes de otras rocas. En el siglo XIX se descubrió que la estructura de la arcilla es cristalina, a través del método de difracción de Rayos X. Los cristales, que son de un diámetro menor de 0, 002 mm, están dispuestos en tetraedros (silicio) y octaedros (alúmina) situadas en diferentes capas bidimensionales (caolín) o tridimensionales que se unen. Entre esas estructuras laminares van intercalados cationes de calcio o magnesio.
La arcilla es plática y moldeable pero al secarse endurecen y al someterlas a altas temperaturas se vuelven permanentemente rígidas.
Dependiendo del contenido mineral de las tierras, las arcillas pueden ser de diferentes colores como blanco (caolín), anaranjadas, amarillentas…
- Clasificaremos las arcillas de diferentes maneras:
- Por composición mineralógica:
- Arcillas caolinítcas: Al 2 O 3 + 2SiO 2 + 2H 2 O
- Arcillas alfanoides : Al 2 O 3 + SiO 2 + 5H 2 O - Arcillas haloinitas: Al 2 O 3 + 2SiO 2 + 4H 2 O
- Por estructura cristalográfica:
- Laminares: con aplicaciones o usos cerámicos. Se subdividen en arcillas de dos capas (una de tetraedros y otra de octaedros) como el caolín o caloinita –soporta altas temperaturas, muy impermeable- y la loisita y de tres capas (tetraedro, octaedro, tetraedro) como las esmectitas (montmorillonita –propiedades tixotrópicas-), las illitas, las vermiculitas, el talco, las micas…
- Fibrosas: no tienen aplicaciones cerámicas, pero tienen otros usos como cargas (sepiolita o atapulgita) para realizar papetas.
- Por porcentajes de los elementos predominantes (Segel):
- Ricas en silicato alumínico o caolín y pobres en hierro: dan lugar a las porcelanas blancas, translúcidas y vitrificables. Obtenemos la porcelana. Impermeables, blancas y translúcidas.
- Ricas en óxidos de hierro y silicatos: duras y resistentes pero no translúcidas. Amarillentas y rojizas. Obtenemos el gres o la loza.
- Ricas en óxidos de hierro y pobres en silicatos de aluminio: cerámicas rojas para la fabricación de ladrillos. Rojizas y frágiles.
- Se transforman en un material diferente (cerámica) por cocción.
- Tienen una estructura cristalina formada por partículas extremadamente reducidas con un diámetro inferior a 0,002 mm, dando una superficie específica (superficie con relación al volumen) enorme. Esto explica que sean materiales plásticos con una gran capacidad de absorción.
- Inestabilidad volumétrica: la gran capacidad de absorción de agua las permite crecer en volumen. Con en agua aumenta un 50% la masa de la arcilla.
- Fluidificación pero con un límite. Si la sumergimos en agua, las partículas que forman la arcilla suspenderán. Si la acidez del líquido es bajo se fluidificarán bien las partículas; pero si tiene un PH más ácido se producirá una separación de las partículas de las arcillas y su sedimentación.
- La plasticidad. Son rocas muy fácilmente deformables, ya que cuando añadimos agua se produce un deslizamiento entre sus partículas y de las capas (gracias al agua que hay entre ellas). Cuanta más agua añadimos, más deformable se volverá. Esta propiedad va aumentando hasta el límite de fluidificación y cohesión de las partículas. Cuanto menor sea el tamaño de las partículas y mayor agua se le añada a la arcilla, más plástica será. Esto se debe a las propiedades físicas de la arcilla y a la química con su estructura (grupo OH- y cationes).
- Una vez que pierden la humedad endurecen.
- Son tixotrópicas: determinados coloides, al amasarlos o moverlos se licúan, pero cuando las dejamos en reposo recuperan su forma inicial. Cuando se les ha añadido agua y están muy fluidificadas tienen más poder tixotrópico.
- Tecnología cerámica.
1.5. Proceso de elaboración de los materiales cerámicos. Sistemas de moldeo: rotación, extrusión, prensado y vaciado.
- Extracción del material base en el suelo. La extracción se realiza por levantamiento en terrones.
- Limpieza gruesa o desgaste : con la limpieza se eliminan raíces, restos vegetales, guijarros, otros tipos de rocas…es una limpieza gruesa, denominada desgaste.
- El proceso de disgregación del material en fragmentos pequeños , que realizaba con el método de la invernada (consistía en extender los terrones de arcillas en grandes superficies a las inclemencias del tiempo para favorecer esa disgregación y oxidación de la materia biológica que contiene la arcilla), y hoy en día se hace con molinos trituradores de manera industrial.
- Limpieza exhaustiva , para eliminar restos menores. Se realizará por decantación, sumergiendo la arcilla en agua o en agua con algún electrolito, separándose los diferentes materiales.
- El espesado: para conseguir que la arcilla recupere su consistencia.
- Humectación y al amasado para poder trabajarla. Para ello, hay que añadir agua para darle homogeneidad y plasticidad.
- Modelado: a través de diferentes sistemas:
- El torno alfarero o mecanizado: para fabricar piezas de revolución colocando en la pella la arcilla. A veces se colocaban terrajas y esteques –para mantener hueco el interior y trabajar el exterior- de madera para realizar la pieza cerámica)
- Moldes : gradillas y raseros (para piezas paralelepípedas o piezas macizas, introduciendo la arcilla en una caja metálica pasando luego un rasero) o método de las galleteras (obtener industrialmente piezas de arcilla a través de dar diferentes cortes)
- Sistema de extrusión : para piezas paralelepípedas o huecas, consiste en hacer pasar la masa a presión por boquillas con la forma del objeto que queremos fabricar. - Por colada: cuando se requiere de un sistema muy preciso, vertiendo en el molde una arcilla muy fluida llamada barbotina en el molde, a la que luego se le añade otra arcilla menos fluida. Es importante prever un sistema de salida del aire para evitar la aparición de burbujas.
- Proceso de secado para evitar grietas y fisuras en la cocción. El secado puede ser al aire libre o con estufas. El secado es gradual y se va perdiendo agua poco a poco: se pierde el agua de contracción –cantidad de agua gruesa entre las partículas-, agua de plasticidad –agua que envolvía a cada partícula- y el agua de porosidad –agua que está entre los intersticios y que da lugar a que esa masa sea porosa-. Este proceso es reversible, pues si volvemos a añadir agua volverá a ser plástica. Cuando tiene menos de un 5% de agua se considera que está lista para ser introducida en el horno.
9_. La cocción_ , que es la culminación del proceso. Es aquí cuando cambia la composición química de la arcilla. Es un paso irreversible.
2.2. La cocción de los materiales arcillosos. Fases, indicadores y tipos de hornos cerámicos.
■ Los factores que influyen en este proceso:
- El tipo de arcilla: composición mineralógica y química y estructura, pues no se puede trabajar con todos los tipos de arcillas.
- La granulometría de los cristales.
- La velocidad con que se aumenta la temperatura en el horno y la máxima temperatura que se alcanza (no todas las arcillas aguantan la misma temperatura).
- Tiempo de cocción.
- Atmósfera del horno durante la cocción, controlando la entrada de oxígeno, siendo la atmósfera oxidante (permitiendo la llegada de oxígeno) –piezas rojas- o reductora (se cierra la entrada de aire) –piezas negras, grises o con reflejos metalizados-.
■ Fases de la cocción:
- Materiales inorgánicos: se añade a la masa de arcilla sílice (areniscas, arena…) para hacer menos plástica la arcilla; feldespatos o chamota (arcilla triturada y cocida).
- Materiales orgánicos: sílice orgánica o tierra de infusorios; fibras vegetales (que desaparecen con la cocción y aumentan la porosidad de la arcilla…) y pajas.
- Tipos de hornos:
Partes del horno:
- Hogar : donde se coloca el combustible.
- Plaza o laboratorio: donde se meten las piezas cerámicas.
- Chimenea : por donde se evacúan los gases.
Clasificación de los hornos:
- Horno en pira y hormiguero : se amontonaban las piezas en una pira con combustible, haciendo perforaciones por la parte superior del horno. El rendimiento de este tipo de apilamiento de las piezas que componen el horno es malísimo, pues sólo salían bien el 60% de las piezas que se metían. Todo dependía de la situación de la pieza en el horno.
- Hornos intermitentes : se tienen que enfrían y volverse a calentar para sacar y meter material. Proceso más lento. Pérdida de energía. Rendimiento energético malo. - Hornos de tiro vertical :
- Árabe o directo: los humos y el calor siguen la dirección vertical. Se construían semienterrados en el suelo por problemas de dilataciones por las altas temperaturas.
- De botella o multicámara: sustituyeron a los hornos árabes. Además del hogar y la plaza, tienen una cámara. La cámara y la plaza tienen diferentes temperaturas, usándose la superior (cámara) para cocer revestimientos normalmente, como el recocido o esmaltado. Los hornos no serán homogéneos pues cada pieza saldrá más o menos cocida.
- De bóveda o de reverberación: sitúan en la parte superior una bóveda refractaria a la que se conduce el flujo calorífico por medio de unos tabiques, repartiéndose el calor de manera más homogénea. Además constan de un hogar y de un cenicero (no interrumpir la combustión). Usados para la fabricación de gres.
- De mufla: consisten en una caja cerrada de material cerámico refractario. Se usa para meter piezas de mayor valor para que sean cocidas, pues no se manchan por los humos. Usados para vidriados y esmaltados en piezas de loza y porcelana. Hoy en día, están recubiertos por metales con resistencias eléctricas.
- Hornos de tiro vertical:
- De alfarero o casel: entre el hogar y la plaza alargada existe un tabique (rejilla) que permite la cocción uniforme de todas las piezas y la repartición homogénea del calor.
- Hornos continuos : funcionan sin parar, por lo que se aprovecha la energía al 60%. Permiten cocer al tiempo una gran cantidad de piezas, pues se pueden programar.
- Hornos rectilíneos o de túnel : el material queda cargado en vagonetas que circulan en el túnel zona fría-zona calentamiento- zona cocción-zona enfriamiento. Permite la entrada continua de espacio. Ocupan mucho espacio.
Hornos anulares o de Hoffman: eran anulares y posteriormente ovalados. El material se deposita en diferentes cámaras y va cambiando la zona de calentamiento por un anillo. Debajo de cada cámara hay un hogar.
•.4. Tipos de cubiertas cerámicas o revestimientos.
Consiste en revestir la superficie de la cerámica con un material que la impermeabilice, ya que la cerámica es muy proosa. El material poroso es lo que se denomina bizcocho y el material que ponemos para impermeabilizar se llama cubierta.
- Objetivos de la cubierta:
- Impermeabilizar para aumentar las funciones del material. Proteger el bizcocho del agua y líquidos para aumentar la durabilidad y para que tenga una limpieza más fácil.
- Decorar la pieza cerámica.
- Propiedades cubiertas:
- Compatibilidad física (punto fusión de cubierta acorde con temperatura de fusión del bizcocho. Tiene que tener menor temperatura de fusión del bizcocho o bien añadir fundentes para que sean así) y química con la cerámica base.
- Tienen que ser transparentes si existe decoración en la cerámica.
- Controlar la dilatabilidad para que la cubierta no se craquele. Pero si la temperatura de dilatación de la cubierta es menor, el bizcocho se enfría y aparecen desconchamietos. Conviene que coeficiente de dilatación de bizcocho y cubierta sea similar.
- Clasificación según fusibilidad:
- Colores cerámicos: sólo tienen función decorativa. Hechos de óxidos metálicos [colores: para colores azules: óxido de cobalto y de cobre. Para los verdes: óxido de cromo y de cobre. Para los rojos y pardos: óxidos de hierro o de oro. Para los amarillos: óxido de manganeso. Para los blancos: óxidos de estaño. Para los negros o grises: grafito u óxido de iridio] mezclados con cuarzo y fundentes. Se pueden aplicar por encima o por debajo de una cubierta transparente.
•.5. Tipos de productos cerámicos
Se incluyen cerámicas que se componen de arcillas ferruginosas o ricas en óxidos de hierro y con numerosas impurezas (calcáreas) que se les añade materiales de enmienda. Temperatura de cocción entre 800-1500ºC. Es cerámica porosa de colores pardos y rojizos.
- Ladrillos: macizos, huecos, rasillas, rasillón; tejas (árabe, romana)…
- Terracotas (alfarería fina): que se moldea por vaciado y que suele tener relieve. Se cuece en hornos de gas para obtener piezas que no tengan manchas.
- Alfarería común : maceta, vasijas, botijos, recipientes… Sólo será cocida.
- Alfarería esmaltada o loza grosera o loza grosera recubierta: También se denomina de Faenza o mayólicas bastas. Fabricada en una sola cocción. Tiene un bizcocho amarillento con muchas impurezas. Suele ser más rico en alúmina que en sílice. Lleva en su mezcla, cuarzo, feldespato, cretas, óxidos. Irá recubierto con un esmalte blanco y brillante (estannífero, de plomo y galena) o transparente.
- Cerámicas impermeables:
- Mayólicas o lozas finas: productos cerámicos de pasta todavía porosa de color blanco o marfil. Compuestas por caolín, arenas, feldespatos y margas y sin óxidos férricos coloreados. De grano fino y pasta homogénea. Empezó en Inglaterra en la fábrica de Wedgwood haciendo competencia a la porcelana europea. Más gruesa que la porcelana. Va recubierta. Al romperse siempre se diferencia el bizcocho de la cubierta.
Tipos según temperaturas de cocción: loza fina dura (1100º y 1300ºC. Vidriado transparente 1050-1150ºC. Mayor dureza); loza fina mixta o intermedia (1050º-1150ºC, vidriado entre 1000º y 1100ºC); blandas (950º-1050ºC, vidriado 900º-1000º).
- Gres: pasta cerrada. Coloreado por sus impurezas: gris, marfil, castaño, amarillento o color gamuza. Composición: Caolín, feldespato y arcillas refractarias. Estas arcillas tienen posibilidad de vitrificar, obteniendo un alto grado de impermeabilización (no tan alto como la porcelana). Bajo coeficiente de absorción de agua. Presenta mucha resistencia a la compresión. En revestimientos para suelos, plaquetas…conducciones de saneamientos en los edificios.
Tipos: clincler (cocción única. 1050-1200º), común (–duro y blando- templado a 800º y cocción final a 1250-1300º -gres duro- y 1500-1250º -gres blando-).
- Porcelana: rotura concoidal, por lo que no se diferencia el bizcocho de la cubierta. Color blanco. Consigue espesores desde 3 mm y menos. Formada de caolín y arenas silíceas. Como fundentes se añaden feldespatos. Comienza en Europa en 1709. Las cualidades: pureza de su composición. Translúcida. Vitrificación e impermeabilidad. Timbre metálico.
Clasificación según dureza: porcelana dura o auténtica, (–se cuece de una vez bizcocho y cubierta a temperaturas de 1350º-1400ºC), porcelana blanda o tierna (–se cuece en dos fases, por una bizcocho por otra cubierta, 1250º-1300ºC-). Se realiza previamente una templa a 800ºC, pero en la dura se aplica de una sola vez a bizcocho y cubierta y a las blandas por separado.
- Cerámicas refractarias: cerámicas para usos especiales (industriales). Aguantan altas temperaturas, reflejan muy bien el calor, y no manchan. Se cuecen muy lentamente. Cocción 1150-1400º, composición: silicatos y aluminatos puros (fundentes en sí mismos).
Tipos: Normales: arcilla + chamota. En algunas cerámicas se añade carburo de sílice, magnesio y grafito.
- Alteraciones de los materiales cerámicos y sus causas.
- Al ser un material inorgánico y poroso que presentará mayor número de alteraciones según su porosidad.
- Factores ambientales: físicos, químico y biológicos.
- Daños físicos: daños de tipo mecánico como cambios en el estado del agua que la empapa generando flujos y roturas…; acción de la lluvia abrasiva (partículas que contiene en suspensión) o de disolución; depósitos superficiales o exteriores de sales solubles produciendo craqueladuras, fracturas, desprendimiento de capas; variaciones
