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• Raul Esplana Boza

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MARCO TEÓRICO

CAPITULO I LA CAL 1. CONCEPTO: La cal (del latín calx) es una sustancia alcalina constituida por óxido de calcio (CaO), que provine de la calcinación de la piedra caliza, de color blanco en estado puro, que al contacto del agua se hidrata o apaga, con desprendimiento de calor, y mezclada con arena forma una argamasa o mortero de cal. También los alquimistas llamaban cal a cualquier óxido metálico o escoria. Otro compuesto llamado cal, es el óxido de calcio y magnesio o dolomía calcinada (CaMgO2). Es un material muy utilizado en construcción y en otras actividades humanas. Como producto comercial, normalmente contiene también pequeñas cantidades de óxido de aluminio y hierro. 2. HISTORIA La cal es uno de los materiales de construcción más antiguos ya que la más remota utilización de la cal de que se tiene noticia cierta es de unos 4000 años antes de Jesucristo en el revestimiento de las pirámides de Egipto. Se sabe que en la Muralla China se empleó ampliamente el mortero de cal. La mayor contribución de los romanos a la tecnología de la cal fue la adición a la cal viva de cenizas volcánicas ricas en sílice, con lo cual se obtenía un material que grafuaba bajo el agua a diferencia de la cal sin ninguna adición, que no fraguaba más que al aire. La cal se empleó por mucho tiempo como el material idóneo para elaborar morteros con los que se pegaba la piedra en todo tipo de construcciones, también se le ha empleado mucho en morteros para aplanados tanto en interiores como en exteriores. Sin embargo, el uso de este material ha venido a menos debido a que su ganancia en resistencia es muy lenta si se le compara con la que desarrollan los cementos actuales, más aún, como existen trabajos en los cuales el empleo de la cal no es suficiente (por ejemplo, para pegar tabique) y el cemento sobrepasa con mucho la resistencia necesaria, la industria cementera ha creado los morteros hidráulicos, dosificados para tal fin. Aún existen aplicaciones para la cal en la construcción, especialmente en la elaboración de morteros cemento-cal arena donde la cal actúa como un agente plastificante, también se le emplea en forma extensiva en la estabilización de suelos. Por otro lado, la cal es muy útil en el tratamiento de aguas residuales (GÓMEZ, p. 42).

LA CAL

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3. PROPIEDADES Muchas de la propiedad de la cal dependen de la calidad de la caliza utilizada como también del proceso de calcinado, y estas propiedades, dependen los usos que se le de a la cal aquí hay un breve resumen de estos factores que incluyen en las propiedades de la cal obtenida: 3.1 HIDRAULICIDAD: Es la relación entre silicatos y aluminatos respecto al oxido de calcio. Índice de hidraulicidad = (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 (arcilla) / CaO + MgO (caliza)). (tantos por ciento, peso, de los distintos componentes, antes de la cocción. 3.2 DENSIDAD: La densidad real de la cal aérea es del orden de 2,25 kg/dm3. Para las cales hidráulicas oscila entre 2,5 y 3,0 kg/dm3. La densidad de conjunto de las cales puede estimarse en torno a 0.4 kg/dm3, para las cales aéreas y 0,5 a 0,9 kg/dm3 para las hidráulicas. 3.3 FRAGUADO: El fraguado de la cal es un proceso químico, consiste en la evaporación del exceso de agua empleado en amasar la pasta, seguido de una sustitución de agua por el CO2 de la atmosfera, pasando de nuevo por hidróxido al carbonato cálcico. Como el anhídrido carbónico seco no reaccionaria con el hidróxido cálcico seco, es necesario que exista algo de humedad presente. El tiempo de fraguado de las cales aéreas no se especifica en las normas peruanas, pero puede afirmarse que se trata de un conglomerante de fraguado lento. En las cales hidráulicas no solo se produce la carbonatación del hidróxido cálcico sino también la hidratación de los silicatos y aluminatos presentes. El fraguado de cualquier tipo de cal hidráulica no debe comenzar antes de 2 horas ni terminar después de 48 horas. 3.2 ESTABILIDAD DE VOLUMEN: La cal sufre un aumento de volumen una vez colocada en obra (varios meses después). Se acusa en grietas horizontales del enlucido coincidiendo con las juntas de los ladrillos.

Las causas más frecuentes de este aumento de volumen son: -

Presencia de magnesio sin hidratar, su hidratación es muy lenta y puede suceder meses después de ser colocada en obra.

-

La existencia de cal libre (sin hidratar) al realizar la fabricación, Al apagarse después aumenta de volumen.

LA CAL

Pg. 3 Las cales tienen una resistencia no mayor de 50 kg/cm2 por lo que se emplean en piezas no resistentes.

4. FABRICACIÓN: La fabricación de cales comprende dos procesos químicos: calcinación e hidratación, a las cuales van asociados las operaciones de transporte, trituración y pulverización de la caliza además de la separación por aire y el almacenamiento adecuado de la cal obtenida para evitar los procesos de re carbonatación: Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O 4.1 Obtención de la Piedra Caliza: Como la roca caliza es dura (dureza 3 en la escala de Mohs), generalmente se requieren explosivos para fragmentarla, en caso de ser necesario los fragmentos más grandes se someten a una trituración primaria para reducirlos al tamaño adecuado.

Además, comprende todos los procesos que se realizan en la cantera a partir de los cuales se obtiene la piedra caliza, materia prima de este proceso. Dichos procesos consisten en:  

Estudios geológicos mineros, en los que se obtiene la información geológica y geoquímica de las áreas a explotar. Extracción de la piedra caliza, que consiste en extraer la materia prima de las canteras.

Durante esta etapa se pone especial atención en controlar la composición química, granulometría y humedad de la materia prima, que es la piedra caliza.

4.2 Preparación de la Piedra: Consiste machaqueo, con machacadoras de mandíbulas o en las trituraciones y tamizajes primarios y secundarios de la piedra caliza. Mediante dicho proceso, se logra dar a las piedras el diámetro requerido para el horno de calcinación. 4.3 Calcinación: Esta etapa consiste en someter a la roca caliza previamente fragmentada a temperaturas que oscilan entre 800 y 900°C, con lo cual se desprende el bióxido de carbono y se obtiene la cal viva (CaO). Los hornos en los cuales se lleva al cabo esta operación pueden ser de diversos tipos, desde muy sencillos hasta muy complicados. Los hornos pueden ser:  

Intermitentes Continuos.

En los hornos intermitentes se realiza solo una quema a la vez y es necesario cargar la roca caliza, quemar y posteriormente descargar para dejar libre el horno para la siguiente hornada, mientras que en los hornos continuos la roca caliza se carga por un lado y por el otro se descarga la cal viva, todo en una operación más o menos continua. LA CAL

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La calcinación consiste en la aplicación de calor para la descomposición (reacción térmica) de la caliza. En este proceso se pierde cerca de la mitad de peso, por la des carbonatación o pérdida del dióxido de carbono de la caliza original. La calcinación es un proceso que requiere mucha energía para que la des carbonatación pueda ocurrir y es en este paso cuando la piedra caliza (CaCO3) se “convierte” en cal viva (CaO). La calcinación se produce en hornos intermitentes de mampostería o ladrillo, o en hornos continuos (planta) que pueden ser verticales o rotatorios. 1.1 Hidratación: La cal viva es muy inestable puesto que tiende a absorber agua hasta del medio ambiente, el material en estas condiciones resulta peligroso puesto que puede quitarles humedad a las plantas, los animales y cualquier ser vivo por simple contacto. Por esta razón la cal viva, de aspecto blanco es sometida al apagado o la hidratación con el objeto de obtener la cal hidratada o hidróxido de calcio (Ca (OH)2), en el proceso se libera calor. El apagado que se practica en la industria varía desde apagado por riego o aspersión hasta el apagado por inyección de vapor de agua, cualquiera que sea el método, el objetivo principal del proceso es no dejar ningún resto de cal viva sin hidratar, puesto que esto ocasionaría pérdida de consistencia en las mezclas de cal y daños posteriores, ya que la cal viva absorbe aproximadamente 3 veces su volumen de agua. La hidratación de la cal es empleada para construcciones y otros numerosos procesos. Esta es obtenida añadiendo vapor o agua caliente a la cal viva. Las cales vivas puras reaccionan vigorosamente desprendiendo calor considerable, mientras que las cales impuras se hidratan lentamente, o solo después que los terrones son triturados.

CaO Oxido de Calcio

H2 O Agua

Ca(OH)2 Hidróxido de Calcio

Calor

Comúnmente se producen tres formas de cal hidratada: -

Hidrato seco, un polvo fino seco formado añadiendo agua suficiente para apagar la cal, que es secada por el calor generado; Lechada de cal, hecha de cal viva apagada con agua en exceso y agitándola bien, formando una suspensión lechosa; Pasta de cal, una masa viscosa formada por el asentamiento de los sólidos de la lechada de cal.

LA CAL

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4.4 Separación: Consiste en separar de la cal hidratada los óxidos no hidratados (óxidos no hidratados como los de magnesio) y algunos carbonatos conocidos como “granaza” que no lograron ser hidratados en la etapa de hidratación. 4.5 Molienda: Como la cal se vende molida para facilitar su aplicación, el proceso tiene que ver con el costo de la misma puesto que un método de molienda refinado eleva el costo de la cal. El método más recurrido para la molienda es el que emplea martillos pulverizadores en un sistema rotatorio, posteriormente el material molido se separa mediante cribas, regresándose cíclicamente aquel material que no cumple con el grado de finura requerido. 4.6 Envasado/Empaque/Despacho: Finalmente, se procede al envasado del producto, el mismo se realiza por medio de una máquina especial de envasado y paletizado. La cal hidratada es empacada en bolsas de papel, o bien en cantidades en tolvas. Todos los procesos anteriormente descritos, son completamente industriales. En los mismos se llevan a cabo estrictos controles de calidad que permiten alcanzar las normas requeridas para la fabricación de cal hidratada. Para ello, se determina el cumplimiento de los requerimientos químicos (dióxido de silicio, óxido de aluminio, óxido férrico, óxido de calcio, óxido de magnesio, óxidos no hidratados y dióxido de carbono) y de los requerimientos físicos de fineza y retención de agua. Permitiendo ofrecer un producto de excelente calidad. 5. TIPOS: Las cales para la construcción, según la Norma Europea UNE_EN 459-1 establece los siguientes tipos, de acuerdo con su composición química: 5.1 CALES AÉREAS: Producidas por la calcinación de calizas o dolomías, constituidas por óxido o hidróxido de calcio y/o magnesio. Carecen de propiedades hidráulicas ya que no tiene la propiedad de fraguar y endurecer cuando se mezcla con agua y/o bajo ella.  

Cales vivas (Q): Compuestas por óxidos de calcio y de magnesio. Obtenidas tras la calcinación de las calizas o las dolomías. Cales hidratadas (S): Resultantes del apagado de las cales vivas, compuestas por hidróxidos de calcio y magnesio

Las cales vivas e hidratadas: -

Cales cálcicas (CL): Calcinación de rocas calizas Puras, riqueza en calcio > 95%, (componente fundamental CaO y MgO < 5 %) LA CAL

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-

Cales dolomíticas (DL): Calcinación de piedras dolomíticas que contienen magnesio (MgO > 5 %)

CAL VIVA

CAL HIDRATADA

DOLIMITA CALCINADA

5.2 CALES HIDRÁULICAS O APAGADA Cal constituida, principalmente, por hidróxido de calcio, silicatos y aluminatos de calcio. Tiene la propiedad de fraguar y endurecer cuando se mezcla con agua y/o bajo ella. La reacción con el dióxido de carbono atmosférico es parte del proceso de endurecimiento. Producidas por la calcinación de rocas carbonatadas que contiene arcillas ricas en sílice, aluminio y hierro. Mezcla de óxido de calcio más silicatos y aluminatos cálcicos. La parte del óxido se comporta como cal aérea, el óxido de calcio pasa a hidróxido de calcio y tiene lugar una reacción de carbonatación con el aire. La parte de los silicatos y aluminatos reacciona con agua, dando lugar a silicatos y aluminatos cálcicos hidratados (reacción hidráulica análoga cementos, endurecimiento más rápido que cales aéreas). -

Cales hidráulicas naturales (NHL): La cal hidráulica natural es una cal con propiedades hidráulicas, producida por la calcinación de calizas más o menos arcillosas o silíceas con reducción a polvo mediante apagado con o sin molienda. LA CAL

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Tiene la propiedad de fraguar y endurecer cuando se mezcla con agua y por reacción con el dióxido de carbono presente en el aire (carbonatación). Las propiedades hidráulicas son el resultado exclusivo de la composición química especial de la materia prima natural. Se permiten los agentes de molienda hasta el 0,1%. La cal hidráulica natural no contiene ninguna otra adición. -

Cales formuladas (FL): La cal formulada es una cal con propiedades hidráulicas constituida principalmente por cal aérea (CL) y/o cal hidráulica natural (NHL) con material hidráulico y/o añadido. Tiene la propiedad de fraguar y endurecer cuando se mezcla con agua y por reacción con el dióxido de carbono presente en el aire (carbonatación).

-

Cales hidráulicas artificiales(HL): La cal hidráulica es un conglomerante constituido por cal y otros materiales tales como cemento, escorias de alto horno, cenizas volantes, fíller calizo y otros materiales adecuados. Tiene la propiedad de fraguar y endurecer con el agua. El dióxido de carbono presente en el aire contribuye igualmente al proceso de endurecimiento.

Es muy importante no confundir la cal aérea, con la cal hidráulica, ya que esta última contiene silicatos que tienen un comportamiento diferente, sobre todo como material de construcción. La cal hidráulica tiene un comportamiento similar al cemento. 6. CLASIFICACION DE LAS CALES POR SU CONTENIDO DE ARCILLA

Tabla 4. 1. Tipos de Cal según su Contenido de Arcilla

Tipo de producto

Índice hidráulico(I)

% de arcilla

Tiempo

de

fraguado Cal aérea

0-0.10

0-5.3

Sin limite y al aire

Cal poco hidráulica

0.10-0.16

5.3-8.2

16-30 dias

Cal medianamente

0.16-0.31

8.2-14.8

10-15 dias

Cal propiamente

0.31-0.42

14.8-19.1

5-9 dias

Cal eminentemente

0.42-0.50

19.1-21.8

2-4 dias

o 0.50-0.65

21.8-26.7

1-12 horas

26.7-40

4-15 minutos

Cal

limite

cemento lento Cemento rápido

0.65-1.20

LA CAL

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7. CLASIFICACIÓN (ITINTEC 339.001).

De acuerdo a esta Norma 339.001 la Cal se clasifica en Cal de Construcción, siendo este su modelo y descripción según el Catálogo Especializado de Normas Técnicas Peruanas CEMENTO

CÓDIGO: NTP 339.001:1979

TITULO: CALES PARA LA CONSTRUCCIÓN. Generalidades 3 p.

RESUMEN: Esta norma clasifica y define todos los tipos de cales para construcción

DESCRIPTORES: CAL TERMINOLOGÍA;

CLASIFICACIÓN PRECIO: S/.1,63

8. CONSERVACIÓN DE LAS CALES

La

cal

viva

se

puede

conservar

en

terrones

hasta

5

ó

6

meses,

colocándola sobre lecho de cal apagada en polvo de 20 cm. De espesor y cubriéndola con la misma cal apagada ligeramente comprimida. La cal apagada en forma de polvo puede conservarse en silos o barriles, resguardados de la humedad. Para la conservación de la cal en pasta, se recurre a unos fosos impermeables y se tapan con unos 30 cm de arena. 9. UTILIZACIÓN

La cal hidráulica es la más empleada en la construcción, dado que este aglomerante es de fraguado lento y escasa resistencia mecánica; se emplea para enlucidos y como aglomerante de los morteros, destinados a revocos y a la colocación de pavimentos y revestimientos. LA CAL

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7.1 La Cal por su versatilidad puede utilizarse sola o en combinación con otros materiales cementantes a lo largo de toda la obra:

Estabilización de suelos:

Restauración de Monumentos Históricos:

Elaboración de pinturas e impermeabilizantes: CAL USOS Y APLICACIONES Respecto a los usos que se le de a la cal obtenida dependen los distintos grados de pureza que requiera la caliza, por ejemplo para la cal usada en la industria se requiere un grado de pureza mucho mayor de la caliza, si lo comparamos con la pureza requerida para usos agrícolas así para cada uso se dan características de la caliza para satisfacer necesidades y aquí se presenta un resumen: PARA USOS INDUSTRIALES Gran parte de la caliza no sirve por problemas de pureza, por esta razón gran parte de la cal se obtiene a partir de conchas de mar las cuales son basadas en CaCO3 puro. PARA USOS EN CONSTRUCCIÓN La cal se usa principalmente en enlucidos y estuco principalmente como cal hidráulica la cual contiene gran cantidad de impurezas silíceas por que debido a esto la cal hidráulica fragua bajo el agua y tiene propiedades plásticas, generalmente se usa como sustituto del cemento, la cal hidratada se usa para la fabricación de ladrillos de cal los cuales consisten en la cal hidráulica mas arena los cuales juntos forman silicatos monocálcicos los cuales tienen propiedades aislantes, por esto mismo se agrega a LA CAL

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algunas carreteras de arena cal hidráulica para formar silicatos sobre esta y así formar un “ cemento natural” donde obviamente no se requiere cal de gran pureza. PARA USOS AGRÍCOLAS La cal se usa generalmente para neutralizar los ácidos presentes en el suelo aunque se usa mas la caliza directamente para estos fines en donde se requiere poca pureza PARA USOS METALÚRGICOS La cal viva tiene un gran uso como fundente en la manufactura del acero donde se requiere una cal de una gran pureza, además la cal se usa en el trefilado de alambres como lubricante, también se usa en la fabricación de lingotes en moldes de hierro para evitar la adherencia de estos lingotes, otro uso de la cal es para neutralizar los ácidos con los que se limpian los productos del acero, en este sentido se prefiere la cal para neutralizar que la caliza debido a que la caliza produce CO2 al contacto con ácidos lo cual es un problema debido a que puede generar asfixias en los que lo manipulan. La lechada de cal se usa como aislante temporal a la corrosión, en el recocido del acero, se usa además en casi todos los procesos para la extracción de Mg, también para recuperar la sílice de la bauxita, se emplea en la flotación de minerales no férreos donde actúa como depresor y mantiene la alcalinidad correcta, para todos estos usos metalúrgicos se requiere una cal de una pureza superior a las anteriores y como consecuencia una caliza de una pureza mayor de donde sintetizar esta cal. La cal en las calzadas romanas Una de las principales aplicaciones que de la cal hicieron los romanos fue en la construcción de sus calzadas. Una sección de la Via Apia estaría formada por tres estratos: El primer estrato (statumen) era de piedra dura y plana, cortada en grandes fragmentos, que en algunos casos, se unían con cal y arena; el segundo (rudus o ruderatio) era de cantos o fragmentos de piedra partida que se aglomeraban con cal grasa para dotarla de mayor solidez y el tercero (summum dorsum o summa cresta) estaba configurado por grandes piezas poligonales que encajaban perfectamente entre sí.

LA CAL