El presente trabajo muestra el estudio de las características físico químicas y mecánicas de las arcillas de la región de Centeno, Moa, para la producción de objetos cerámicos.

Mediante el diseño de experimentos, se obtuvieron diferentes composiciones de arcilla roja y gris, a las cuales se les añadió Feldespato y se determinaron los parámetros característicos de las mezclas de arcilla (% de contracción, % de absorción y resistencia mecánica).

Palabras claves: arcillas, mezclas de arcillas, pasta cerámica, productos cerámicos

El territorio de Moa posee grandes riquezas minerales que conforman grandes extensiones diseminadas por todo el territorio, entre los cuales se encuentran las arcillas, que han sido estudiadas desde el punto de vista de su origen geológico, presentando propiedades físico químicas y mecánicas que permiten su utilización con fines industriales.

Actualmente, los productos cerámicos constituyen una amplia gama de nuevos materiales que pudieran sustituir incluso a metales y polímeros en la fabricación de componentes de motores térmicos, herramientas de corte y otros accesorios para mejorar la resistencia al desgaste y a la abrasión, a ambientes corrosivos y a altas temperaturas, debido a las excelentes propiedades mecánicas, ópticas, eléctricas, refractariedad y elevada resistencia a los agentes corrosivos.

De acuerdo con estudios precedentes (Pons y Leyva, 1996 y Orozco, 1995 ) las arcillas de Moa poseen un carácter semirrefractario y han sido utilizadas como morteros en los procesos de fundición de la Industria del Níquel y están siendo empleadas, en pequeños volúmenes, para la fabricación de materiales de la construcción. En las industrias locales del municipio se intentó utilizarlas como materia prima para la fabricación de tiestos, búcaros y otros, pero no se obtuvieron buenos resultados ya que las piezas se agrietaban durante el secado y se rompían durante la cocción.

Por la gran disponibilidad de esta materia prima en nuestro territorio y las grandes posibilidades de empleo, se hace necesaria una investigación mas exhaustiva de estos minerales.

Con este trabajo se persigue realizar la evaluación de mezclas cerámicas obtenidas a partir de las arcillas de la región de Centeno, municipio de Moa, al noroeste de la provincia Holguín, Cuba; a partir de sus propiedades físico- químicas y mecánicas, con vistas a su utilización en la producción de objetos cerámicos decorativos y utilitarios.

Para llevar a efecto el estudio de los diferentes factores que intervienen en el tratamiento correcto de las materias primas, que constituyen las mezclas de arcillas roja y gris; se analizará cómo influyen algunos de ellos en la obtención de resultados satisfactorios en el producto final.

El tamaño del grano, la composición de la pasta, las condiciones de secado y la temperatura de cocción, son los factores que mayor influencia presentan de acuerdo con la experiencia y la literatura consultada, por lo cual serán los que se tendrán en cuenta en el presente trabajo.

• Tamaño del grano:

• Condiciones de secado:

El proceso de secado consiste en evaporar el agua que se añadió, para poder conformar los objetos, que oscila entre el 15 y 25 %.

El proceso de secado va siempre acompañado de contracción. A medida que el agua se evapora, las partículas de arcilla se acercan más entre sí cerrando el espacio que había sido ocupado por el agua. Esta humedad está localizada tanto en el interior como en la superficie de la pieza. Si el proceso de secado se lleva a cabo muy bruscamente la pieza se puede agrietar debido a que la parte exterior se seca casi completamente y se contrae, mientras que el interior queda húmedo. Se ha observado que las contracciones no avanzan linealmente con el tiempo, casi el 25 % de la contracción ocurre durante un tiempo muy corto en el comienzo del secado, continuando después muy suavemente (Rhodes, 1975). Si se quiere eliminar el alabeo, la deformación o el agrietamiento los objetos cerámicos deben secarse lenta y uniformemente, es decir hay que tener sumo cuidado durante el secado y sobre todo en la fase primaria (Segueira, 1976).

• Temperatura de cocción:

Durante la cocción se producen profundos cambios en la arcilla. El primer cambio es la terminación de su secado, el cual debe efectuarse lentamente de lo contrario la formación de vapor en la pasta puede provocar su estallido. El siguiente cambio ocurre aproximadamente a 350ºC, cuando el agua combinada químicamente comienza a eliminarse.

Alrededor de los 500 ºC estará completamente deshidratada y la pieza no se ablanda ni se desintegra en el agua y ha perdido su plasticidad (Montoya y Romero, 1991).

• Composición de la pasta:

Raramente las arcillas pueden ser utilizadas tal y como están en la naturaleza, por lo que hay que añadir otros materiales tales como fundentes, desengrasantes u otros tipos de arcillas para mejorar sus propiedades. De hecho existen diferentes formas de preparar las arcillas de acuerdo con el fin que se persiga (De Pablo, 1964).

Ha quedado demostrado que las mezclas tal y como son elaboradas en el tejar de Centeno, no pueden ser utilizadas para cerámica decorativa y utilitaria, por las exigencias de calidad del acabado de las mismas y los problemas de roturas que presentan, por lo cual se proponen cambios en su composición.

Para llevar a efecto la investigación se tomó una muestra representativa de arcillas de la región de Centeno, Moa.

Mediante el diseño de mezclas o McLean Adnerson (citado en Cruz, 2001), se obtuvieron las composiciones de las mezclas a estudiar.

Los niveles para las variables de entrada se escogieron a partir de la experiencia del tejar de Centeno incorporándosele el feldespato y tamizando la mezcla.

• Composición de la mezcla:

• Temperatura de cocción
• Tamaño de partículas
• Condiciones de secado y cocción

• Y₁ - % de contracción total
• Y₂ - % de absorción
• Y₃ - Resistencia a la compresión

Para establecer los diferentes niveles de la variable de entrada, composición de las mezcla, se tuvo en cuenta la experiencia de la pasta utilizada en el Tejar de Centeno, a la que se le añadió Feldespato como material desgrasante.

Se confeccionó la matriz de experimentos y se calculó el numero de experimentos a realizar:

3. Número de experimentos a realizar

N = q x 2 ^(q-1)

N= 12

Donde q es el número de variables de entrada.

De la matriz de experimentos se obtuvieron cuatro mezclas con las siguientes composiciones.

Las pastas cerámicas cuyas composiciones fueron obtenidas de acuerdo con el diseño (Tabla 2), se confeccionaron tomando 4000 g de mezcla como base, y de aquí se calcularon los demás componentes para cada una de las composiciones.

Después de secar las arcillas en la estufa se procedió a molerlas en el molino de bolas durante una hora, luego, con la cantidad de agua suficiente para mojar todas las partículas, se confeccionaron las mezclas.

Las probetas experimentales, se confeccionaron de acuerdo con las exigencias técnicas de cada ensayo (Rhodes, 1975; Blanco, 1981), con un tamaño de partículas de +0.27mm y se cocieron a una temperatura de 890 ºC.

A continuación se muestran los principales resultados obtenidos.

La plasticidad de las diferentes mezclas estudiadas fue determinada por el sencillo método¹² de doblar o roscar un cilindro fino, en el cual no deben aparecer grietas.

A partir de los ensayos realizados se obtuvieron los resultados siguientes:

Tabla 4 % de contracción total

Los valores de % de contracción (Tabla 4), calculados según la ecuación de la metodología de ensayo, para las cuatro mezclas estudiadas, se encuentran dentro del rango para productos cerámicos.

El parámetro tecnológico % de contracción total da una medida de la unión de las partículas después de cocida las piezas.

La evaluación de este parámetro es de vital importancia debido a que, mediante su control, se pueden lograr productos cerámicos mas o menos densos para cada una de las mezclas.

La contracción es una consecuencia del secado y el horneado de las piezas, por lo que se requiere que estos procesos sean bien controlados y se realicen con el mayor cuidado.

El secado desigual de las partes de una pieza puede provocar diferencias en el modo de contraerse cada una de ellas, provocando rajaduras, alabeos y roturas de las mismas.

Debido al alto contenido de Hierro que presentan, las arcillas estudiadas se contraen mas durante el secado y la cocción (Pons y Leyva, 1996).

De acuerdo con el análisis de varianza, entre las medias de las cuatro composiciones analizadas no hay diferencias significativas, por lo que cualquiera de ellas puede ser empleada en la producción de objetos cerámicos.

En este caso fue utilizado el estadígrafo F (Fisher). El valor de F observado, igual a 3,78; resultó ser menor que el valor crítico para F= 5.29, para un nivel de confianza del 95%, lo que demuestra que no hay diferencias significativas entre los experimentos.

Es decir que cualquier mezcla de composición similar a las estudiadas, debe proporcionar valores de % de contracción muy semejantes a los obtenidos.

El % de absorción de agua para cada una de las mezclas se muestran en la siguiente tabla:

El % de absorción para cada una de las mezclas (Tabla 5), calculado a partir de los resultados experimentales, al igual que el % de contracción, se encuentra dentro del rango para productos cerámicos.

El grado de absorción de agua es una medida de la maduración de la pasta de arcilla cocida. A medida que la pasta se acerca a la vitrificación su absorción se acerca a cero.

Utilizando el análisis de varianza, el estadígrafo F (Fisher) observado, igual a 2,26; resultó ser menor que el valor crítico F= 3,24, para un nivel de confianza del 95%, lo que demuestra que no hay diferencias significativas entre los experimentos.

Esto significa que cualquier mezcla de composición similar a las estudiadas, debe proporcionar valores de % de absorción muy semejantes a los obtenidos en los experimentos realizados.

La resistencia a la compresión para cada una de las mezclas se muestra a continuación:

Tabla 6 Resistencia a la compresión (kgf/cm²)

La resistencia mecánica caracteriza la capacidad de los objetos cerámicos de resistir golpes y cargas sin sufrir roturas durante su uso y manipulación. Es un parámetro respecto al cual no se hace mucha referencia en la literatura consultada, para el caso de productos cerámicos avanzados, no siendo así cuando se trata de materiales para la construcción, los cuales se encuentran muy bien normados.

No obstante, en el presente trabajo se realizó un estudio de la resistencia a la compresión para las cuatro mezclas. A pesar de que no fueron encontradas referencias para su comparación, estos resultados ofrecen un rango de valores entre los cuales debe encontrarse el parámetro, y puede ser utilizado como referencia para futuros estudios.

En el caso de la resistencia a la compresión, calculada a partir de los datos obtenidos de los ensayos, los resultados estadísticos corroboran la hipótesis nula. El estadígrafo Fisher observado, igual a 1,57 resultó ser menor que el valor crítico (4,07). Esto significa que la resistencia mecánica de cualquier mezcla cuya composición se encuentre entre los rangos estudiados, tendrá valores similares a los obtenidos en este estudio.

Como resultado del análisis de varianza se obtuvo que cualquiera de las mezclas puede ser utilizada con muy buenos resultados, ya que no existen diferencias significativas entre las mezclas para cada uno de los experimentos.

Por tanto se concluyó que la mezcla a partir de la cual se obtuvieron los mejores resultados fue la Mezcla No 3, que tiene la siguiente composición:

• 60 % de arcilla roja
• 38 % de arcilla gris
• 2% de Feldespato

Con esta mezcla se obtuvieron los mayores valores de resistencia a la compresión. Los demás parámetros se comportaron de forma similar para los cuatro experimentos.

En la cocción de productos cerámicos preparados con materias primas arcillosas es necesario conocer el margen de temperaturas en el que la contracción y la porosidad de la pieza no varían excesivamente. Este intervalo depende de las características de la mezcla y debe ser lo mas amplio posible, de lo contrario pueden producirse deformaciones en la pieza o la cocción insuficiente de las mismas, lo que influye en que la porosidad y la resistencia mecánica del producto acabado no sean los deseados (Rhodes, 1975).

Debido a esto, los diagramas de contracción total - absorción de agua- temperatura son de gran ayuda para la formulación y ajuste de las mezclas destinadas a la producción de objetos cerámicos. En el presente trabajo se introduce el estudio del comportamiento de la resistencia a la compresión, el cual es otro de los parámetros que se debe controlar.

Después de establecido el uso del feldespato como material desengrasante, así como seleccionada la composición de la mezcla, se estudió el comportamiento de los parámetros tecnológicos de la misma, respecto a la temperatura y al tamaño de las partículas.

Fueron escogidos tres valores de tamaño del grano: -0.125; +0.125 -0.27; -0.27mm (denominadas Fina, Media y Gruesa, respectivamente), teniendo en cuenta las experiencias de la fábrica de cerámica roja de Moa y de Holguín, y un perfil de temperaturas entre los conos 010 y 02 (Tabla 7), recomendados en la literatura.

El procedimiento para la determinación de los parámetros tecnológicos que están siendo evaluados, fue similar al anterior.

De los resultados de los ensayos se obtuvieron los valores de cada uno de los parámetros para pastas preparadas con granulometría de -0.125mm

Con el propósito de observar el comportamiento de todos los parámetros, para cada uno de los tamaños de partículas de la mejor de las mezclas, los resultados (Tabla 8), fueron procesados mediante el Excel, obteniéndose el siguiente gráfico:

El comportamiento de la pasta alfarera (Gráfico 1) para el tamaño de grano mas fino que se estudió (-0.125mm), y para el perfil de temperaturas escogido (Tabla 7), demuestra que a medida que aumenta la temperatura, aumenta el % de contracción, es decir que las partículas se encuentran mas unidas entre sí. Sin embargo el % de absorción disminuye, lo que se explica ya que al estar mas cohesionadas las partículas, y poseer tamaño tan fino, el espacio entre ellas es menor por lo tanto absorben una menor cantidad de agua, ofreciendo una idea del grado de maduración de la mezcla.

De igual forma se manifestaron estos dos parámetros para los demás tamaños de grano estudiados.

Como se observa en el Gráfico 1, no aparecen representadas los resultados de resistencia a la compresión para la granulometría mas fina, lo cual se debe a que, las probetas para la determinación de la resistencia a la compresión, confeccionadas para el tamaño de partículas mas fino, presentaron algunas dificultades, ya que durante el proceso de cochura, a una temperatura del horno de aproximadamente 600ºC, todas se rompieron a pesar de que, tratando de evitar esta situación, fueron confeccionadas con gran cuidado, evitando la formación de huecos en el interior de la masa, se secaron poniéndolas incluso a la luz y el calor del sol, y se realizó el proceso de cocción en un horno automático.

Esta situación pudiera ser la consecuencia de que no estuvieran bien secas, presentaran bolsas de aire en su interior, o que la subida de la temperatura en el horno no estuviera bien controlada. También pudo deberse a que en ese tamaño de partículas se concentre algún compuesto químico o fase mineralógica que provocara la fragilización de las probetas. Se presume que se trate de alguna fase mineral de hierro, lo cual es recomendable continuar estudiando.

Para la mezcla con granulometría media los parámetros estudiados se comportaron de la forma siguiente:

A través del Microsoft Excel se graficaron los resultados obtenidos (Tabla 9), con el objetivo de analizar el comportamiento de los tres parámetros en conjunto, obteniéndose el siguiente gráfico:

Para una granulometría de +0.125-0.27mm (Gráfico 2), se observa que, al igual que para las demás, la contracción aumenta y la absorción disminuye, a medida que aumenta la temperatura.

Respecto al tamaño de partícula fino ambos parámetros presentan un ligero aumento (Gráfico 1).

En el caso de la resistencia a la compresión, se puede concluir que no existe una tendencia marcada, pues comienza en un determinado valor, para la primera temperatura estudiada, sube hasta un valor máximo para la siguiente y disminuye luego para el último valor de temperatura analizado.

Para este tamaño de partículas, la resistencia mecánica en todo el rango de temperaturas, es menor que para el tamaño mas grueso.

Se observa además que, alrededor del punto donde coinciden el valor del % de contracción y el % de absorción se logran los mayores valores de resistencia a la compresión. Como no existen referencias respecto a este hecho en la literatura consultada, no se puede aseverar que este comportamiento obedezca a una ley. Pudiera tratarse de un fenómeno casuístico, por lo que se recomienda realizar un mayor número de pruebas.

Para la mezcla con granulometría gruesa (+0.27mm) los parámetros estudiados se comportaron como se muestra a continuación:

Con el objetivo de comparar el comportamiento de todos los parámetros estudiados, para un mismo tamaño de grano, se graficaron los resultados (Tabla 10), observándose lo siguiente:

Como se observa en el gráfico anterior, al igual que para las mezclas analizadas, con el aumento de la temperatura aumenta la contracción de las probetas y disminuye la absorción de agua.

Comparando con los tamaños de grano anteriores, para el tamaño de grano grueso, se obtuvieron los mayores valores de % de contracción , % de absorción y resistencia a la compresión.

La resistencia a la compresión para este tamaño de partículas tuvo un comportamiento similar al anterior ya que no existe una tendencia marcada respecto a la temperatura, pues comienza en un valor, sube hasta un valor máximo y vuelve a disminuir luego.

Para este tamaño de partículas la resistencia a la compresión, en todo el rango de temperaturas, es mayor que para el tamaño medio.

De la misma forma que para la granulometría anterior, la resistencia a la compresión, presenta valores máximos para el rango de temperatura donde coinciden los valores de % de contracción y absorción de agua. En este caso, el mayor valor de resistencia a la compresión se obtuvo a la temperatura en que son iguales estos dos parámetros.

En general el comportamiento de los parámetros estudiados (% de contracción y % de absorción), para las arcillas de la región de Centeno es similar al de cualquier arcilla, si se compara los resultados del presente trabajo con los obtenidos por otros autores (Ochoa, 2002), teniendo en cuenta que son arcillas de composición mineralógica diferentes.

1. La composición de las mezclas de arcilla de Centeno estudiadas presentan propiedades físicas, químicas y mecánicas requeridas para la producción de cerámicos, entre las que no existen diferencias significativas, destacándose la mezcla No 3, por ser la de mayor Resistencia a la compresión.
2. Los mejores resultados se obtienen cuando la mezcla es cocida a temperaturas entre 1000 y 1050 ºC, y son confeccionadas con una granulometría de 0.27mm, con un control de los procesos de secado y cocción.

1. Utilizar la composición de la mezcla No 3, con granulometrías de +0.27mm (gruesa), cociendo aproximadamente a una temperatura de 1000ºC, teniendo en cuenta las mejores condiciones de secado, y controlando los cambios de temperatura dentro del horno.
2. Investigar el comportamiento de las mezclas utilizando otros desengrasantes como la chamota y la arena sílice, recomendadas también en la literatura.
3. Profundizar el estudio de otras propiedades de los productos obtenidos como resistencia a la abrasión, a agentes corrosivos, y a temperaturas superiores a las estudiadas .

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