Caracterización de muestras de cal apagadas por distintos métodos tradicionales, en una experiencia realizada en Zone (Brescia, Italia)Peer Reviewe

Bosch González, Montserrat

Haurie Ibarra, Laia

Rodríguez Cantalapiedra, Inma

Rosell Amigó, Juan Ramón

UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC

41¿EXISTEN DIFERENCIAS EN LAS CALES APAGADAS PORDISTINTOS MÉTODOS TRADICIONALES?: LA EXPERIENCIA DE ZONE (BS)Rosell, Joan Ramon1*Haurie, Laia 1Bosch, Montserrat 1, Rattazzi, Andrea 2Cantalapiedra, Inma R.11Escola Politècnica Superior d’Edificació, Universitat Politècnica de Catalunya2Università degli Studi di Bologna, Facoltà di ArchitetturaABSTRACTEn Julio 2009, fuimos invitados a asistir al apagado de una cal cocida en un hornotradicional de principios de siglo, restaurado por los hermanos Cagni Murì en 1997, enel marco de un curso organizado por el Forum Italiano Calce, en Zone (BS). Dicha calfue apagada siguiendo tres métodos tradicionales: ordinario por aspersión, “grande aqua”y por breve inmersión.A lo largo de los distintos procesos de apagado, se realizaron medidas de temperaturamediante termopares y una cámara de termovisión. A partir de las diferentes muestras obtenidas de cal apagada, se procedió a lacaracterización completa mediante diferentes técnicas instrumentales como, difracciónde rayos X (DRX), fluorescencia de rayos X (FRX), análisis termogravimétrico (TG),superficie específica (BET) y tamaño de partícula por dispersión laser. También seestudió la morfología de las partículas mediante microscopia electrónica de barrido(SEM). Simultáneamente, se han reproducido en laboratorio distintos apagados de la cal vivade Zone, variando la proporción agua/sólido, y por tanto, variando la temperatura máximaconseguida, con el fin de disminuir la variabilidad del proceso tradicional y poder estudiarmejor únicamente el efecto de la temperatura de apagado. El análisis de los primeros resultados nos permite avanzar que existen diferencias en ladistribución del tamaño de partícula, así como en los productos de hidratación que seforman en función del proceso de apagado. 1. IntroducciónLa cal ha sido utilizada como material de construcción en morteros y enlucidosdesde tiempos ancestrales. A pesar de la disminución de su uso debido a laintroducción y rápida implantación del cemento a mediados del siglo XIX, la calsigue siendo uno de los principales materiales a tener en cuenta en obras derestauración [1]. Esto es de especial relevancia en el caso de conservación depatrimonio ya que los morteros de cal exhiben mejor compatibilidad con materialestradicionales como piedra y fábrica que el cemento y los materiales poliméricos [2].La calidad de la cal se ha relacionado tradicionalmente con factores como elmétodo de apagado o la antigüedad de las pastas de cal [3]. La experiencia yoficio de los profesionales implicados en el ciclo de la cal, desde el apagado hastala aplicación, son también agentes clave para el éxito en el uso de estosmateriales. Actualmente, los métodos tradicionales y las profesiones están siendoprogresivamente abandonados lo cual puede llevar a una pérdida de este valiosoconocimiento. Diferentes estudios se están llevando a cabo a fin de establecer lainfluencia del efecto de diferentes parámetros en las propiedades de las pastasde cal [4, 5]. En este trabajo se han estudiado las características de diferentesmétodos de apagado tradicionales, así como la influencia de estos en laspropiedades de las pastas de cal resultantes. Los diferentes apagados tradicionales se llevaron a cabo en julio de 2009 en Zone(Italia) en el marco de una jornada organizada por el Forum Italiano de la Calce.La materia prima para el apagado fue obtenida por calcinación de rocasdolomíticas de la zona en un horno tradicional restaurado en 1997 por loshermanos Cagni Murì. A continuación se describen los diferentes métodos deapagado utilizados:Apagado por aspersión (Z2)El método de apagado por aspersión (Z2) consistió en extender terrones de calen una balsa de madera de unos 3 x 6 m y 0,4 m de altura, desechando laspiedras aparentemente mal cocidas y las impurezas. A continuación se regóabundantemente la cal, tal y como se muestra en la fig. 2, se desmenuzaron losfragmentos más grandes  con la ayuda de palas de madera para facilitar la mezclay la disgregación de los terrones, produciéndose así el proceso de apagado. Los“grappiers” y las impurezas se eliminaron por tamizado en continuo, acontinuación se decantó la pasta de cal, fig.2, y se clasificó por tamaños en dosfases según la sedimentación.  42Figura 1. Apagado por aspersión en balsa Figura 2. Decantación de la lechada de calGrande Aqua (Z3)En este caso se excavó un pequeño pozo en el suelo de dimensionesaproximadas 1,2 x 0,6 m y 1 m de profundidad que se llenó, hasta la mitad, conlas piedras calcinadas procedentes del horno de cal. Se vertió en el pozo unacantidad aproximada de 200 litros, fig. 3, y se esperó a que la cal empezase abullir. Pasados unos minutos se vertieron otros 400 litros y se removió la pastade cal, como puede observarse en la fig. 4. En algunas experiencias previasrealizadas con este sistema, la exotermia del proceso ha provocado unaexplosión de cierta virulencia.Inmersión breve (Z4)Este tercer sistema de apagado estudiado durante la jornada consistió en llenarde roca calcinada un cesto de mimbre para unos 15/20 litros, e introducirlo en unpozo de agua hasta su completa inmersión. Como se ilustra en las figs. 5 y 6 elcesto se retiró casi inmediatamente y se dejó a la intemperie mientras la cal sehidrataba, aumentando de volumen y temperatura durante un proceso que puedellegar a durar varias horas.43Figura 3. Vertido de 200 L de agua Figura 4. Agitación de la cal apagada por el método“Grande aqua”Figuras 5 y 6. Proceso de apagado por inmersión breveA fin de completar el estudio se ha realizado el apagado de la piedra calcinadaen Zone (Z1) en el laboratorio, variando las relaciones de agua y cal y controlandolas temperaturas de apagado. Las propiedades de las pastas resultantes se hananalizado de la misma manera que para las pastas obtenidas con los procesostradicionales.   2. Materiales y técnicas de análisisLa tabla 1 muestra la nomenclatura, proceso de apagado y tipo de cal de lasdistintas muestras estudiadas. En todos los casos el material de partida ha sidola piedra calcinada en el horno tradicional de Zone (Z1).  Muestra Proceso de apagado Tipo de calZ2 Por aspersión Cal en pastaZ3 “Grande aqua” Cal en pastaZ4 Immersion breve Cal en polvoZ1 1:2 Lab, Relación: 2:1 (Agua:cal viva) Cal en pastaZ1 1:3 Lab, Relación: 3:1 (Agua:cal viva) Cal en pastaZ1 1:4 Lab, Relación: 4:1 (Agua:cal viva) Cal en pastaZ1 1:5 Lab, Relación: 5:1 (Agua:cal viva) Cal en pastaTabla 1. Identificación de las muestrasEl registro de las temperaturas de apagado, tanto in situ como en laboratorio, serealizó mediante un conjunto de termopares tipo K conectados a un dispositivode almacenamiento de datos. Durante los apagados tradicionales se usó tambiénun equipo de termovisión InfraCAM SD de FLIR Systems, que permite medir laradiación infrarroja producida por un elemento entre -15 y 350ºC. El receptor deinfrarrojos se ajustó para una emisividad de 0,9. Parar caracterizar las muestras de cal se utilizaron las siguientes técnicas:• Fluorescencia de rayos X (FRX) utilizada para determinar la composiciónquímica de la muestra Z. El equipo usado es un espectrofotómetrosecuencial Philips PW2400.• Difracción de rayos X (DRX). Los espectros de las muestras Z2, Z3 y Z4 seobtuvieron mediante radiación con Cu Ka 1  con un difractómetroPanalytical alfa powder. Las muestras de cal fueron secadas en atmósferade nitrógeno para prevenir la carbonatación.• La distribución del tamaño de partículas se ha determinado con un equipoBeckman Coulter LS 13 320. El disolvente utilizado es agua y se utilizaronultrasonidos para homogeneizar la muestra y deshacer los agregados.• La superficie específica ha sido medida con el método BET con un equipoMicromeritics Tristar 3000.• El análisis termogravimetrico (TGA) y el análisis térmico diferencial (DTA)se ha utilizado una termobalanza Mettler Toledo TGA-SDTA 851e/SF/1100,en aire, con una rampa de calentamiento de 20 ºC/min para un rango de25 a 1000ºC.44• La morfología superficial de las muestras ha sido observada mediante unmicroscopio electrónico de barrido (SEM) Hitachi H-4100FE.• La viscosidad de las muestras de pasta de cal Z2 y Z3 se ha obtenido conun viscosímetro rotacional Thermo Haake Viscotester 7L Plus. Las muestras se han dispersado en agua hasta un 30 % de contenidosólido. La lechada resultante ha sido homogeneizada durante 2 minutos yanalizada usando los vástagos L3 y L4. Durante 4 minutos se somete la muestra a una rotación de 10 r.p.m. y setoman datos de tiempo (s.), par(Pa) y viscosidad (Pa.s). El valor de laviscosidad se determina a partir del promedio de los últimos 20 seg. 3. Resultados y discusión3.1 Evolución de las temperaturas durante el apagado de la calLas figs. 7 y 8 muestran las temperaturas de la cal viva momentos antes desacarla del horno de calcinación. A pesar de llevar una semana apagado se puedeobservar en la termografía que la roca calcinada todavía conserva temperaturaspróximas a los 90ºC.45Figuras 7 y 8. Termografía correspondiente a la zona de descarga del horno3.1.1 Apagado por aspersión en balsa de maderaComo se puede observar en la fig. 9, el proceso de apagado por aspersióncomporta una heterogeneidad en cuanto a las temperaturas registradas,relacionadas con la cantidad de agua. En aquellas zonas en las que la cal estácompletamente anegada, el calor se disipa rápidamente por lo que lastemperaturas registradas son más bajas, mientras que en aquellas zonas noanegadas, las temperaturas son superiores, alcanzando en algunos puntos másde 100ºC. En cambio, durante el proceso de decantación y antes del tamizado de la lechadade cal, tanto las lecturas con la cámara termográfica, fig. 11, como las lecturasde los termopares, fig. 12, muestran unas temperaturas muy homogéneas y queoscilan entre los 40/50 ºC.46Fig. 9. Termografías de la balsa de madera durante el apagado de la calFig. 10. Detalle de las temperaturas alcanzadas durante el apagado en balsa,se alcanzan hasta 99ºC47Fig. 11. La temperatura de la pasta de cal una vez homogeneizada en la balsa ronda los 50ºC Fig. 12. Evolución de las temperaturas durante la etapa de decantación del apagado en balsa3.1.2 Apagado Grande AquaEn este caso las temperaturas de apagado alcanzan los 100ºC cuando seproduce el primer contacto entre el agua y la cal viva, pero el exceso de aguaque se añade al proceso causa una rápida disipación del calor e incluso unareducción de la temperatura al remover la pasta de cal. Al cabo de un tiempo latemperatura se estabiliza entorno a los 50ºC., tal y como se observa en la gráficapresentada en la fig. 13.  3.1.3 Apagado por inmersión breveA diferencia de los dos casos anteriores el producto resultante de este apagadono es una cal en pasta, sino cal en polvo. La escasez de agua utilizada en esteproceso explica las altas temperaturas que se generan en el interior de la masa(hasta 350ºC) y que se mantienen por encima de los 100ºC a lo largo de las 3,5horas siguientes desde el inicio del proceso (figs. 14 y 15).48Fig. 13. Evolución de las temperaturas durante el proceso de apagado “Grande Aqua”Fig. 14. Evolución de las temperaturas durante el proceso deinmersión breve.    Fig. 15.  Detalle de las temperaturas.  En elcesto. 3.1.4 Apagado en laboratorioEn los procesos de apagado realizados en laboratorio a partir de las muestrasZ1, la temperatura máxima alcanzada disminuye con el aumento del aguaañadida, pero en ningún caso se superan los 75 ºC para las distintas relacionescal/agua estudiadas (fig. 16).3.2. Caracterización de las calesEl análisis por FRX de la muestra Z1, obtenida por calcinación de roca dolomíticaen horno tradicional, revela la presencia mayoritaria de calcio y magnesio. Lacomposición expresada en forma de porcentajes de óxidos es de 57 % de CaOy de 38 % de MgO.Los espectros de DRX de las muestras apagadas in situ se presentan en las figs.17 y 18. En todos los casos la fase cristalina principal se corresponde con elhidróxido de calcio (portlandita). Asimismo, en los espectros de las muestras Z2y Z3 también aparecen los picos característicos de hidróxido de magnesio(brucita), mientras que para Z4 se distinguen los óxidos de magnesio originales(periclasa) y no se detectan hidróxidos de magnesio. Este hecho puede explicarseen relación con la diferente cinética de hidratación del CaO y del MgO. Lahidratación de la cal viva para formar Ca(OH)2 es más rápida que la hidrataciónde la periclasa (MgO) como ocurre a través de un mecanismo que implica cuatrofases  [6]. Si se produce una falta de agua durante el apagado, como sucede enel caso del proceso por inmersión breve (Z4), puede verse favorecida la formaciónde Ca(OH)2 frente a la de Mg(OH)2.Por otro lado, la hidratación lenta de la periclasa puede explicar el incrementodiferido de temperatura observado para la muestra Z3, obtenida mediante elproceso de apagado “grande aqua” (fig.13). En este caso, la adición súbita degran cantidad de agua y la ausencia de agitación puede provocar que laspartículas de CaO, más reactivas, se hidraten antes y, en consecuencia, losnúcleos de MgO lo hagan de forma diferida y de manera menos exotérmica.49Fig. 16. Evolución de las temperaturas de apagado para diferentes ratio de agua/calLa fig. 19 ilustra la distribución volumétrica del tamaño de partículas para lasmuestras Z2 y Z3 y para las dos fracciones de tamizado secas de las muestrasZ4: Z4.1 (> 80µm) y Z4.2 (< 80µm). Como puede observarse en el cuadro de lafigura, el proceso de apagado por inmersión breve da lugar a mayores tamañosde partícula, mientras que el sistema de apagado por aspersión, con grandesaportaciones de agua, agitación y decantación, proporciona valores de tamañode partícula inferiores. Aunque se han podido observar partículas pequeñas entodas las muestras, la amplia distribución del tamaño de partículas, con colas dedistribución superiores a 40 µm, se debe probablemente a la existencia deaglomerados.50Fig. 17. Difractograma de las muestras de cal Z2 y Z3 previamente secadas en atm. N2Fig. 18. Difractograma de la muestra Z4 se observan picos de cal viva y periclasa51Fig. 19. Curvas de distribución de tamaños de las diferentes muestras de cal y valores del tamaño en función delprocentaje retenido (cuadro inferior) Fig. 20. Curvas de pérdida de masa frente a la temperatura de las pastas de cal Z2 y Z3PortlanditaBrucitaAguaLa fig. 21 muestra las curvas de pérdida de peso con la temperatura de lasmuestras Z2 y Z3 obtenidas mediante los análisis termogravimétricos. Se observaun primer salto alrededor de 100ºC correspondiente al agua presente en la pastade cal. A continuación distinguimos en los dos casos una pérdida de pesoaproximadamente a 340ºC y otra alrededor de 450ºC. Estas descomposicionescorresponden a la deshidratación del hidróxido de magnesio y del hidróxido decalcio respectivamente. La cuantificación de los porcentajes de Ca(OH)2, Mg(OH)2 y agua de cadamuestra revelan una mayor cantidad de Ca(OH)2 y agua en la muestra Z2. Estehecho se podría relacionar con una intercalación mayor de agua en la estructuradel hidróxido cuando el apagado se produce bajo condiciones menos agresivas. Siguiendo esta tendencia, los registros de viscosidad que se muestran en lafig.22, revelan que pasados los tres meses de edad, la muestra Z2 tenía unaviscosidad significativamente superior a la de la muestra Z3, comparable con lasde otras cales más antiguas. Las diferencias en las características morfológicas obtenidas de las muestrasobservadas con SEM (fig. 23), con formas de partícula más geométricas ydefinidas para la muestra Z2, reafirman los resultados de viscosidades y depresencia de agua obtenida con el TGA.La morfología de las partículas indica una mayor definición de los cantos y lageometría de las partículas para la muestra Z2 y, tal y como puede observarseen la fig. 23, una forma menos definida y con más tendencia a formaraglomerados para la muestra Z4 apagada en condiciones de déficit de agua yaltas temperaturas. 52Fig. 21. Resultados de las medidas de viscosidad. La muestra EQ corresponde a una cal caliza en pasta de 25 años deenvejecimiento, la mustra AK corresponde a una cal caliza en pasta de 3 años de envejecimiento y la muestra P90corresponde a una cal en polvo CL90.4. ConclusionesLos tres productos de cal hidratada estudiados, producidos a partir de una mismacal viva en terrones, y apagada de diferentes maneras, han mostrado algunasdiferencias significativas. En cuanto a la composición, el apagado por inmersión breve no da lugar a lahidratación del óxido de magnesio a causa de la  falta de agua inicial y de lamenor cinética de hidratación de la periclasa frente a la cal viva. No se handetectado diferencias de composición entre las cales procedentes de los otrosdos métodos. El apagado en balsa da lugar a cales con menores tamaños de partícula y conmayores viscosidades a tres meses de envejecimiento.  REFERENCIAS[1] Maravelaki-Kalaitzaki P., Bakolas A., Karatasios I., Kilikoglou V. (2005), Cementand Concrete Research. 35, 1577–1586[2] Degryse P., Elsen J., Waelkens M. (2002), Study of ancient mortars fromSagalassos (Turkey) in view of their conservation. Cement and ConcreteResearch. 32 1457–1463 [3] Cazalla O., Rodriguez-Navarro C., Sebastian E., Cultrone G., De la Torre M.J. (2002). Aging of Lime Putty: Effects on Traditional Lime Mortar Carbonation.Journal of the American Ceramic Society. 83, 5, 1070–1076[4] Rodriguez-Navarro C., Hansen E., Ginell W. S. (1998) Calcium HydroxideCrystal Evolution upon Aging of Lime Putty. Journal of the American CeramicSociety. 81, 11, 3032–303453Fig. 23. Imágenes obtenidas por SEM de las muestras Z2, Z3 y Z4.[5] Atzeni C., Farci A., Floris D., Meloni P. (2004) Effect of Aging on RheologicalProperties of Lime Putty. Journal of the American Ceramic Society. 87, 9, 1764-1766[6] Kato Y., et. Al. (1996), Kinetic study of the hydration of magnesium oxide for achemical heat pump. Applied Thermal Engineering, 16, 11, 853-862AgradecimientosLos autores quieren agradecer al Foro Italiano Calce, por permitirles participar en el workshoporganizado en Zone. Asimismo agradecer a la Generalitat de Catalunya por el financiamientoobtenido en el proyecto GICITED 2009 SGR 878, y al Ministerio de Educación y Ciencia (Spain),por el proyecto FIS2008-06335-C02-01. 54

¿Existen diferencias en las cales apagadas por distintos métodos tradicionales?: la experiencia de Zone (BS)

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC

UPCommons