INTRODUCCIÓN
Las arcillas constituyen la principal materia prima para la fabricación de cerámicos de construcción. Éstas aparecen en todo tipo de formación rocosa, desde la más antigua a la más reciente, y en formaciones ígneas y sedimentarias de todo tipo; como consecuencia de ello, sus características físicas, químicas y mineralógicas varían ampliamente, incluso entre las capas de un mismo depósito arcilloso. Por tanto, en cualquier industria cerámica el control de la calidad de los productos empieza por la caracterización y control de la calidad de sus arcillas.
Una de las características más importantes a evaluar en las arcillas es la composición química y mineralógica, dado que ella influye directamente en las propiedades de los cerámicos obtenidos. Por ejemplo, arcillas con alto contenido de caolinita van a permitir obtener productos cerámicos con carácter refractario, coloración clara y buena resistencia mecánica, mientras que altos contenidos de illita y montmorillonita confieren alta plasticidad a las pastas cerámicas, lo que se traduce en un fácil conformado de las piezas, pero también en una gran contracción de las mismas durante el secado y la sinterización, lo cual puede llevar a la formación de grietas; en tales casos se debe agregar material desgrasante (arena) para ajustar la plasticidad de la pasta.Por tanto, la plasticidad es otro parámetro importante a controlar; entendiéndose ésta como la propiedad que tienen las arcillas de formar una masa plástica con el agua. Uno de los métodos más sencillos para determinar tal propiedad es el de los límites de Atterberg, que comprenden el límite líquido (% de humedad que posee un suelo cuando se halla en el límite entre el estado líquido y estado plástico), límite plástico (el cual corresponde a la menor humedad a la cual un suelo se puede moldear) e índice de plasticidad, que es la diferencia de los dos límites anteriores e indica el intervalo de trabajabilidad de la arcilla.La distribución granulométrica es otra variable de suma importancia, dado que de ella va a depender el grado de empaquetamiento de las partículas y, por tanto, las propiedades físico-mecánicas de los cerámicos (porosidad, absorción de agua, resistencia a la flexión, etc.). Por otro lado, la distribución granulométrica permite predecir el carácter plástico o desgrasante de la arcilla, teniendo en cuenta que el material arcilloso tiene tamaños de partículas pequeños, del orden de unas pocas micras, mientras que la fracción desgrasante o arenosa tiene un tamaño de partícula mucho mayor.La caracterización de las arcillas también debe comprender su análisis térmico. La gran importancia de estos análisis radica en que gracias a ellos se pueden predecir diversos fenómenos térmicos que tienen lugar durante la cocción de las arcillas, tales como cristalización de fases, reacciones en estado sólido, deshidratación, fusión, oxidación, etc.
MATERIALES Y MÉTODOS
Ubicación geográfica del área de estudio
El área a estudiar se encuentra en la hoja cartográfica: 5076 - IV - d San Luis, a escala 1:25 000.
Figura 1.
Localización del área de estudio, Poza Blanca, San Luis, provincia de Santiago de Cuba.
Geología del área de estudio
Desde el punto de vista estratigráfico en el área de estudio se presenta solamente la secuencia terrígena carbonatada de la Formación San Luis de edad P 2 2 - P 2 , la cual esta ampliamente desarrollada en el sector analizado. Al parecer formaron producto de la erosión, meteorización, trituración, arrastre y selección de las rocas de la Formación San Luis de edad P2 2 - P2 y fueron depositadas en cuencas favorables para su acumulación.
Figura 2.
Esquema litológico área de estudio.
La metodología general para la realización de esta investigación se resume a continuación:
Previo al trabajo de campo se prepararon las condiciones para el estudio de los materiales y evaluación de toda la información existente, con el objetivo de correlacionar las formaciones geológicas, conocer previamente la geología del área, además valorar si las investigaciones son más detalladas.
Se realizaron trabajos de itinerario geológico, con el fin de determinar los diferentes estratos o niveles arcillosos su continuidad lateral, espesor y la presencia de intercalaciones de material arcilloso, limoso o arenoso junto con su potencialidad, grado de cementación y consistencia. Durante los trabajos de campo fueron realizados 8 laboreos mineros, los cuales consistieron en pozos criollos, abarcando un área cuadrada de 1.50 x 1.50 m, con 2.0 m de profundidad (4.5 m3 por pozo), para un volumen total de 36 m3 en una red con distancia entre pozo de 75 a 150 m y entre perfiles 100 m, se avanzó en intervalo de 1 m para la documentación y muestreo en la pared norte, mediante la confección de un surco.
Toma de muestras. El muestreo se hizo en un surco central realizado en la pared Norte del pozo, el cual se realizó teniendo en cuenta los tipos litológicos, granulometría, coloración, plasticidad y presencia de CaCO3, con intervalo de muestreo que varió entre 0.70 cm como intervalo mínimo y 1.0 m como intervalo máximo, con el objetivo de evaluar las características químicas del material arcilloso estudiado.
Ensayos de caracterización de las muestras: clasificación granulométrica vía húmeda con tamices de abertura de malla a 5.0, 2.0, 1.0, 0.50, 0.063 y < 0.063 mm según escala de Tyler, análisis químicos por Espectrometría de Emisión Atómica con plasma acoplado, Inductivamente (ICP-AES) para determinaciones de: Al2O3, SiO2, MgO, CaO, Fe2O3, Fotometría de llamas: Determinación de Na2O y K2O y Gravimetría PPI. Medidas de plasticidad por el método de Casagrande, contracción en crudo, por medio de la construcción y cocción de probetas a 850o C en horno eléctrico a nivel de laboratorio.
Análisis e interpretación de resultados. Se hizo una correlación de los datos obtenidos con el fin de establecer si la composición química, mineralógica y las propiedades físicas medidas correspondían a los requerimientos del tipo de arcillas que exige la industria de cerámica roja a nivel nacional e internacional; en aquellos casos en los cuales no cumplía, se estableció sobre cuales elementos presenta déficit con el fin de recomendar la mezcla con otros componentes minerales y de este modo lograr la pasta óptima para este tipo de piezas.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Caracterización de las arcillas
Composición química
Una arcilla apta para la fabricación de cerámicos debe tener un contenido de 𝑆𝑖𝑂2 entre 50-60% y 𝐴𝑙2𝑂3 entre 20-30%
La tabla 1 refleja los resultados de la composición química general de las muestras apreciándose una composición química típica de este tipo de arcilla; se destaca la sílice y el aluminio como los componentes determinantes, así como los contenidos de óxido de hierro, siendo este el responsable del proceso de hinchamiento, además de proporcionar colores rojos muy característicos durante la cocción e intensificar la generación de fase vítrea.
Se observa además que los contenidos de sílice en las muestras varían entre 51,20 y 56,25% y el óxido de aluminio entre 15,10 y 23,15%; si se toman como referencia los valores registrados para estos óxidos en la Tabla 1, las 6 muestras de arcilla presentan contenidos de sílice adecuados para ser empleadas como materia prima para cerámica común; sin embargo, solo tres cumplen con el tenor de Al2O3 requerido.
Desde el punto de vista químico podemos inferir que estas muestras contienen minerales con silicato hidratado de aluminio, hierro y/o carbonato y magnesio.
Tabla 1.
Composición química
Análisis Granulométrico
En la figura 3 se presenta la distribución del tamaño de partículas de las arcillas, obtenidas por tamizaje en húmedo.
La clasificación granulométrica realizada a las muestras estudiadas (figura 3) demuestra que las partículas de tamaño inferior <0.063 mm son mayoritarias y constituyen entre el 88 a 95 % del peso de la fase sólida en las muestras. Todas las muestras exhiben similar granulometría y forman sistemas poli dispersos.
Este parámetro de interés que se refleja en la siguiente figura es el contenido de material retenido en el tamiz < 0.063 mm. La exigencia es > 50 %, y todas las muestras están con valores superiores al 70 %, además, aunque no constituye un requerimiento, la suma de los tamices 0.063 y < 0.063 mm arrojan contenidos por encima del 90 % en las 6 muestras analizadas, la de menor contenido en la suma es de algo más del 92 %, lo que da una idea favorable del grado coloidal de estas arcillas, mientras que para la fracción de 5.0 mm el requerimiento es de < 5 %, y estas cumplen en un 100 %.
Por el contenido de material retenido en el tamiz 0.5 mm, 5 de las 6 muestras tienen un contenido bajo de inclusiones (< 1.0 %), el resto presenta contenido medio (1-5 %), pero es de notar que sólo la muestra F tiene 2,76 %, pudiendo clasificarse en sentido general como arcillas con bajo contenido de inclusiones, lo que refleja una homogeneidad granulométrica.
Figura 3.
Distribución granulométrica
Contenido de humedad
El contenido de humedad o de agua en las muestras de arcilla que fue extraída, nos proporciona el grado de humectación, o la cantidad de agua que debe ser introducida una vez que se comienza con la preparación de la masa arcillosa para el modelado de las piezas cerámicas. Esto demuestra que el depósito donde se acumula el material arcilloso es bastante húmedo.
Tabla 2.
Porcentaje de humedad
Plasticidad
Es un hecho comprobado que las arcillas son las causantes de la presencia de características plásticas en los suelos, en consecuencia, valores más altos de los Límites de Atterberg, estarán asociados con una mayor presencia de materiales arcillosos.
La relación existente entre el límite líquido y el índice de plasticidad ofrece una gran información sobre la composición granulométrica, naturaleza y calidad de la arcilla. Existe una gran variación entre los límites de Atterberg de diferentes minerales de la arcilla, e incluso para un mismo mineral arcilloso, en función del catión de cambio. En gran parte, esta variación se debe a la diferencia en el tamaño de partícula y al grado de perfección del cristal. En general, cuanto más pequeñas son las partículas y más imperfecta su estructura, más plástico es el material. Según el método de Attemberg está arcillas clasifican por muy plásticas (E), plásticas (A, B, C, D) y moderadamente plásticas (F).
Tabla 3.
Límites de consistencia natural de las muestras
| Muestras | Límite | Límite | Índice |
|---|---|---|---|
| Líquido | Plástico | Plasticidad | |
| (%) | |||
| A | 48,50 | 26,20 | 22,30 |
| B | 44,90 | 27,70 | 17,20 |
| C | 47,70 | 26,50 | 21,20 |
| D | 48,55 | 26,90 | 21,65 |
| E | 48,55 | 20,90 | 27,65 |
| F | 33,85 | 21,20 | 12,65 |
En la figura 4, se observa una marcada diferencia entre el IP y AP. En el caso del AP, las barras de las muestras A, B y D sobrepasan la línea de 40 %, significando una arcilla muy plástica, y para el IP, estos se comportan como arcillas plásticas (15 - 25 %).
Según el AP, las muestras C y E se comportan como arcillas plásticas (25 - 40 %), y en cuanto al IP, clasifican como plásticas (15 - 25 %), coincidiendo así con el AP. Según se muestra en la figura, existe relación entre ambos parámetros, se demuestra que la arcilla se presenta como una arcilla plástica por IP y muy plástica por AP.
Figura 4.
Agua Plástica (AP) e Índice de Plasticidad (IP) promedio.
En la tabla 4 los resultados de la contracción al secado natural en 6 muestras de arcilla que, según los resultados, clasifican entre muy plásticas (> 12 %) y plásticas (6 a 12 %), causa está que provocó la deformación de una pieza, además, las briquetas se sometieron a un secado acelerado al introducirlas en una estufa, donde ocurrió algunas roturas, pero no se observaron las típicas explosiones en el cuerpo de estas debido a la presencia de gránulos de caliza, lo que demuestra que los contenidos de carbonato de calcio en están de forma diseminada en las arcillas.
Tabla 4.
Contracción al secado natural
En la figura 5 se observan tres piezas de arcilla natural que se cocieron en una estufa eléctrica a una de temperatura de 850o C a nivel de laboratorio. Estas no sufrieron deformación, ni grietas durante el horneado, en general presentan buena calidad. La coloración final de las tres briquetas es comparable con las muestras comerciales de ladrillo, los fenómenos de sinterización e integridad del material no se vieron afectadas.
Figura 5.
Briquetas horneadas a 850 C
CONCLUSIONES
Desde el punto de vista tecnológico este mineral posee cualidades que lo hacen apto para su uso en la fabricación de ladrillos.
Por los resultados de plasticidad, granulometría y las contracciones, podemos afirmar que las arcillas del depósito “Poza Blanca” en sentido general son plásticas.
Por los resultados obtenidos durante los trabajos, consideramos que se ha alcanzado el conocimiento necesario para pasar a la etapa de exploración de esta materia prima.