EFECTOS F Í S I C O S DEL TRATAMIENTO DE LAS MASAS ARCILLOSAS CON VAPOR DE AGUA
A. GARCIA VERDUCH Instituto de Cerámica y Vidrio Arganda del Rey (Madrid)
RESUMEN
El calentamiento con vapor de las masas arcillosas plásticas constituye una práctica habitual en algunas industrias de ladrillos y tejas. Esta operación se realiza con el fin de aumentar la movilidad del agua en el seno de la masa, lo cual estimula su infiltración durante la preparación de la arcilla y durante el moldeo de las piezas.
La elevación de la temperatura de la masa húmeda tiene además el efecto favorable de estimular la expulsión del agua durante la subsiguiente operación de secado.
La homogénea distribución del agua en las masas arcillosas constituye un estado deseable que solamente se consigue por la acción de mecanismos de transporte muy complejos. La velocidad de todos estos mecanismos es muy sensible a las variaciones de temperatura.
En el presente artículo se describen los mecanismos de transporte del agua, y se ofrecen varios ejemplos numéricos para ilustrar cómo actúan.
SUMMARY
The steam heating of plastic clay bodies is an extended practice in the brick and tile industries. It is done with the aim of increasing the water mobihty within the mass, in order to stimulate the water infiltration during the body preparation and the plastic forming of the ware. The heating of the green ware has the additional effect of stimulating the driving out of water during the drying process.
The homogeneous water distribution within a clay body is a desirable state which is only achieved through the action of very complex transport mechanisms. The rate of these mechanisms is very sensitive to temperature variations.
In the present paper, the transport mechanisms of water are described, and several numerical examples are givem to illustrate their different actions.
RESUME
Le chauffage à vapeur des masses argileuses plastiques constitue une pratique habituelle dans quelques industries de briques et de tuiles.
Cette opération se réaUse a fin d* augmenter la mobihté de 1' eau au sein de la masse, ce qui stimule son infiltration durant la préparation de V argile et durant le moulage des pièces. L' élévation de la temperature de la masse humide a, de plus, Teffect favorable de stimuler l'expulsion de l'eau pendant 1' opération subséquente de séchage.
La distribution homogène de l'eau dans les masses argileuses constitue un état désirable auquel on y parvient seulement par l'action de mécanismes de transport très complexes.
La vélocité de tous ces mécanismes est très sensible aux variations de température. Dans l'article présent, on décrit les mécanismes de transport de l'eau, et on offre plusieurs exemples numériques pour illustrer leur façon de faire.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Erhitzung bildsamer Tonmassen mittels Dampf ist ein in manchen Industriewerken bei der Herstellung von Ziegelsteinen und Dachziegeln herkömmliches Verfahren. Es wird verwendet, um die Bewegüchkeit des in der Masse enthaltenen Wassers zu erhöhen, wodurch die Durchdringung (Infiltration) während der Tonaufbereitung und des Formprozesses gefördert wird.
Die Erhöhung der Temperatur in der feuchten Masse begünstigt femer in vorteilhafter Weise das Abscheiden des Wassers in der anschhessenden Trocknungsphase.
Die homogene Verteilung des Wassers in Tonmassen ist ein erwünschter Zustand, der sich jedoch nur durch die Wirkung überaus komplexer Transportmechanismen erreichen lässt. Die Geschwindigkeit mit der diese Mechanismen verlaufen, ist sehr stark von den Temperaturschwankungen abhängig und durch sie zu beeinflussen.
In dem hier resümierten Aufsatz werden die Wassertransportmechanismen näher beschrieben; anhand mehrerer Zahlenbeispiele vdrd ihre Wirkungsweise veranschaulicht.
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1. INTRODUCCIÓN
El empleo del vapor de agua en el amasado y moldeo de la arcilla constituye una práctica habitual en las ladrillerías de numerosos países.
El primer intento con resultados satisfactorios del que tenemos noticias es el reaUzado en 1929 en una planta piloto de Koutchinsk (U.R.SJS.). En este intento se introdujo vapor a 3-4 atmósferas en la parte central baja de la mezcladora, mediante ocho tubos con orificios protegidos con tela metálica. Parece ser que fue en las ciudades rusas de Kharkov y Zagorsk donde primero se hizo uso de este procedimiento. Francia, Inglaterra y Alemania adoptaron poco después la técnica del vapor y contribuyeron notablemente al desarrollo de los conocimientos básicos sobre los cuales se fundamenta, y al perfeccionamiento de los detalles prácticos de su aplicación.
Las mayores aportaciones al conocimiento de esta técnica han sido reaHzadas en las décadas de los 50 y de los 60, durante las cuales se han pubücado interesantes trabajos (1-23) en las revistas cerámicas más acreditadas.
Un signo del interés despertado por el tratamiento con vapor lo constituye el hecho de que la propia Federación Europea de Tejas y Ladrillos, que agrupa a los organismos profesionales de catorce países, celebrase en París, durante los días 14 y 15 de Noviembre de 1963, un Coloquio Técnico Internacional, de carácter monográfico, dedicado a la discusión de este tema. En la revista L'Industrie Céramique se ofrece una referencia de estos actos (26) y un resumen de las conferencias presentadas (27).
En uno de los trabajos discutidos en dicho coloquio (33) se exponen los resultados de una encuesta efectuada en veintiséis fábricas francesas en las cuales se utiliza el sistema de pasta caliente, y se presentan en forma de tablas los datos referentes a: 1) Tipo y potencia de la caldera; 2) Naturaleza y presión relativa del vapor a la salida de la caldera; 3) Combustible utilizado; 4) Tratamiento del agua; 5) Naturaleza de los productos fabricados; 6) Humedad de la mezcla antes de la admisión del vapor; 7) Lugar donde se inyecta el vapor y presión de inyección; 8) Temperatura media de los productos a la salida de la máquina de extrusión, y 9) Valor del vacío obtenido en la amasadora. Después se presenta un estudio de los diversos secaderos empleados y se comparan los costos de operación de un mismo secadero trabajando, bien con piezas extrusionadas en frió o bien con piezas extrusionadas en caliente.
Rolf Madel (12), en 1961, señala las siguientes ventajas del empleo de masas calentadas con vapor: 1) Disminución de las tensiones creadas en las piezas durante el secado, con la consiguiente reducción de las pérdidas por este concepto; 2) Estímulo de la difusión capilar; 3) Cambio direccional de la difusión calorífica, haciendo que los flujos de calor y de humedad operen en el mismo sentido; 4) Secado con temperaturas iniciales más elevadas, disminuyendo así los tiempos de precalentamiento y secado; 5) Disminución del consumo de energía eléctrica, incluso con aumento de producción; 6) Mejora del comportamiento plástico de la arcilla y eliminación de defectos estructurales, y 7) Aumento de la resistencia mecánica de las piezas secas y cocidas.
Volker Leupolz (14) (15) (17) describe las ventajas de utilizar vapor para el amasado en relación con las propiedades de las materias primas y de las condiciones operatorias del proceso. Asimismo explica las características del equipo usado para generar el vapor y para introducirlo en la masa arcillosa, y ofrece unas recomendaciones prácticas para determinar la cantidad de vapor necesaria y su temperatura.
Curt Milde (10) ha observado grandes disminuciones en el tiempo de secado utilizando vapor sobrecalentado para el amasado en máquinas de extrusión gemelas, especialmente diseñadas. La máxima temperatura de la columna arcillosa oscila entre 45 y 550C, aunque puede ser superior en algunos materiales. Las disminuciones del tiempo de secado han sido, en unas fábricas de un 30% , y en otras de hasta un 60% . En general, con arcillas precalentadas se pueden utilizar mayores velocidades en la circulación del aire con los secaderos. Además de estas ventajas operatorias, Milde señala también que la extrusión de masa caliente permite obtener mejores ladrillos y piezas huecas de gran calidad, exentas de grietas.
Heinz Rolke (3), ya en 1956, observó que calentando con vapor la arcilla hasta 60^ -80^, la trabajabilidad de la masa era mucho mejor que la de la masa fría de la misma humedad (18%). Con arcilla calentada logró una disminución del 20% en el tiempo de secado, y la resistencia mecánica en crudo aumentó en un 60%. Al disminuir los esfuerzos de fricción de la masa caliente en las máquinas, el consumo eléctrico y el desgaste también disminuyeron.
Los trabajos de Fritz Hübner (4) (6) han puesto de manifiesto que por acción del vapor se relajan las tensiones internas de la arcilla y se obtiene una masa mucho más homogénea que la que se obtendría realizando el amasado en frío. Según Hübner, el tratamiento con vapor, no solamente afecta a la dinámica de la masa húmeda y de su secado, sino que las piezas así obtenidas pueden cocerse a velocidades mayores sin riesgo de rotura. La mejor distribución del agua en la masa arcillosa aumenta su trabajabiHdad y permite la obtención de piezas más perfectas, incluso de paredes finas.
H.B. Ries (7) estudia los aspectos teóricos y prácticos del empleo del agua caliente o del vapor para el amasado de las arcillas, y describe los efectos beneficiosos que se producen en cuanto a microestructura y trabajabilidad.
W. Brownell (24) cita los siguientes rasgos característicos de la extrusión de masas calentadas: a) Menor presión de extrusión; b) Menor potencia requerida; c) Menor contenido de agua; d) Secado más rápido, y e) Menor consumo de energía en el secado.
2 HUMECTACIÓN DE LA ARCILLA
En la dinámica de las interacciones entre el agua y la árenla, se pueden considerar dos efectos opuestos: a) Adición de agua a la arcilla (humectación), y b) Sustracción de agua de la arcilla húmeda (secado). Desde un punto de vista formal, uno de los procesos es la imagen negativa del otro, pero desde el punto de vista tecnológico, cada uno de ellos tiene sus propios rasgos característicos, y así, podemos hablar de la tecnología de la humectación y de la tecnología del secado. Como es natural, ambas tecnologías se apoyan sobre un conocimiento único de las relaciones básicas entre el agua y la arcilla.
Los mecanismos por los cuales se produce el movimiento del agua en la arcilla controlan la velocidad de las diversas etapas del secado, y tambi-en -aunque este aspecto es menos conocido- controlan la dinámica de la humectación.
Al secado se le concede gran atención porque el sustrato de partida es la pieza moldeada húmeda, por ejemplo, un ladrillo recién cortado de la columna de extrusión, y se desea llegar a una pieza seca exenta de defectos, tales como deformaciones o grietas.
La humectación, que supone recorrer el camino en sentido inverso, ha merecido siempre menos atención porque el sustrato de partida es la arcilla, sin forma, en su estado natural, y el punto final es la misma arcilla, también sin forma, con un grado de humedad adecuado para realizar el
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moldeo. La diferencia tecnológica esencial es, pues, que todo el secado se realiza en piezas moldeadas, y toda la humectación en arcilla sin forma que, por tanto, es menos crítica.
A pesar de esta diferencia, que es evidente, el tecnólogo no debe ignorar las desfavorables impHcaciones prácticas que tiene una defectuosa distribución de la humedad en la masa arcillosa.
La primera, y elemental, afirmación que se puede hacer, es que el agua contenida en una pieza cerámica recién moldeada en plástico no se evapora tan sencillamente como lo haría el agua contenida en un vaso. Del mismo modo, el proceso inverso, es decir, el mezclado del agua con la arcilla seca, tampoco es tan sencillo como llenar un vaso de agua.
Para comprender la significación real de la homogeneidad de las masas arcillosas, hay que utilizar necesariamente unas imágenes microestructurales, en las cuales se ponga de manifiesto la magnitud, distribución y disposición de cada una de las fases sólidas, del agua, y también de la fase gaseosa que ocupa los poros.
En ningún caso debe utilizarse el concepto erróneo de que la microe structura de la masa arcillosa afecta únicamente a las fases sólidas, y que el agua y los poros constituyen meros accidentes pasajeros. La microestructura de la masa arcillosa, por el contrario, tiene un carácter integral, y debe concebirse como el resultado de la concurrencia de todas las fases presentes, sean pasajeras o no. De este modo, la humectación y el secado deben interpretarse, con una visión dinámica, como la lógica evolución de la microestructura, durante la cual, la ganancia o pérdida de agua van acompañadas por una redisposición de todas las fases presentes para configurar una nueva microestructura. Evidentemente, la dinámica de estas redisposiciones está gobernada por unas leyes físicas, que son las que, en su conjunto, controlan los parámetros tecnológicos de la humectación o el secado.
Existe una abundantísima bibHografía acerca de la composición y estructura de las arcillas naturales, pero ahora no es el momento de entrar en su discusión. Nos es suficiente una imagen somera.
Los cristales de los minerales de la arcilla poseen morfologías y estructuras bien diferenciadas, que condicionan su actividad y su extensión superficial. Además, dichos cristales, obedeciendo a las acciones de sus campos eléctricos superficiales y de las atmósferas iónicas que los rodean, adoptan distintos grados de dispersión o de aglomeración. Por otra parte, la historia mecánica previa de la arcilla puede condicionar la existencia de áreas fuertemente orientadas (31) y de aglomerados más o menos endurecidos. A la heterogeneidad introducida por la aglomeración de las partículas arcillosas hay que añadir la debida a la presencia de minerales accesorios, en granos de finura muy variable, y de sustancias orgánicas de distinta naturaleza, que influyen considerablemente sobre los sistemas coloidales.
La compleja imagen de la morfología de la arcilla encuentra su paralela en otra imagen, igualmente compleja, de sus relaciones con el agua. Cuando se alcanza el equilibrio en el sistema agua-arcilla, la disposición geométrica del agua y su energía de retención, están condicionadas por la geometría de las fases sólidas, por sus campos eléctricos superficiales y por la naturaleza y concentración de los electrolitos presentes.
Si compleja es la imagen geométrica y energética del agua en la masa arcillosa cuando se ha alcanzado el equilibrio, más complejos son los mecanismos por los cuales se llega a ese equilibrio, sobre todo a niveles de humedad en los cuales coexiste una fase gaseosa dentro de la masa.
Más adelante dedicaremos alguna atención a las diversas fuerzas que condicionan el movimiento del agua que es necesario para alcanzar el equilibrio en el sistema agua-arcilla. También veremos cómo influye la temperatura sobre alguna de estas fuerzas, lo cual es esencial para comprender las diferencias de comportamiento de las masas frías y calientes.
Los procesos de homogeneización de la humedad son, por lo general, muy lentos, y no suelen completarse en el corto tiempo que permanece la arcilla sometida al ciclo de fabricación.
La humedad de cantera está bien distribuida, si el frente de arranque de la arcilla se mantiene en régimen normal de explotación.
La arcilla que ha recibido un aporte adicional de agua y se ha almacenado durante largo tiempo en un pudridero, también es probable que tenga el agua bien distribuida, al menos mientras no sufra tratamiento mecánico alguno. Cuando esta arcilla es sometida en la fábrica a tratamiento mecánico, sufre una modificación de su estructura, que supone una reordenación de sus partículas, y por ello se hace necesario reordenar la posición del agua en la nueva estructura. Esta readaptación del agua a las nuevas estructuras que impone el tratamiento mecánico es más fácil en la masa caliente que en la masa fría.
El agua que se añade a la arcilla, ya dentro del ciclo de fabricación, cuenta con poco tiempo para su homogeneización en la masa. A propósito de si este tiempo es poco o mucho, de si es suficiente o insuficiente, convendría hacer algunas puntuaHzaciones.
Antes de hacer la última adición de agua, la arcilla puede estar más o menos seca, según sea la humedad de la cantera y la existencia o no de acondicionamientos previos. Evidentemente, si la arcilla entra muy seca, habrá que añadirle en el último momento más agua que si entra más húmeda. Esta circunstancia, tan lógica, no debe ser considerada con superficialidad, porque tiene implicaciones más profundas.
En general, los mecanismos por los cuales se distribuye el agua en los niveles más bajos de humedad, son más lentos que los mecanismos de distribución en los niveles más altos, en cuyo caso existen gruesas películas de agua, de carácter más o menos libre, capaces de fluir fácilmente bajo las solicitaciones mecánicas.
Si los procesos lentos de acomodación del agua en los bajos niveles de humedad, han tenido lugar en la cantera o en el pudridero, las últimas adiciones de agua que se hacen en la fábrica constituyen la fracción más movible y más fácilmente distribuíble.
Por el contrario, si la arcilla entra muy seca en el ciclo de fabricación, la adición de agua que se hace en la fábrica ha de cubrir tanto los niveles bajos de humedad -de lenta acomodación- como los altos, más fácñmente distribuíbles por acción mecánica. En estas circunstancias es probable que la corta duración del amasado no sea suficiente para lograr una humidificación homogénea.
El calentamiento de la masa, con vapor o por otro medio, estimula la infiltración del agua y, lógicamente, hace sentir más sus efectos beneficiosos en los casos en que las arcillas no posean una adecuada humidificación al entrar en el ciclo de fabricación.
El amasado con agua fría de una arcilla seca granulosa -considerado como caso límite- daría lugar a la aparición de nodulos escasamente humidifícados dentro de la masa. En las mismas circunstancias, el amasado en caliente, por estimular los procesos de transporte del agua, daría una masa mucho más homogénea.
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Desde que entra la arcilla en la fábrica hasta que sale por la boca de la máquina de extrusión, está sometida a las más variadas solicitaciones mecánicas, que modifican su estructura y obligan continuamente al agua a adaptarse en las nuevas disposiciones mutuas que van adquiriendo las partículas.
En el tratamiento mecánico, la masa arcillosa es sometida a considerables gradientes de presión y de vector de presión que estimulan el flujo del agua de unos lugares a otros.
Por otra parte, como resultado de los tratamientos mecánicos y de los complejos esquemas de conducción calorífica en la masa y en los componentes de las máquinas, se establecen unos gradientes de temperatura.
Las deformaciones que sufre la masa arcillosa van siempre acompañadas de orientaciones de sus partículas laminares en forma de paquetes más o menos paralelos. La adquisición de estas nuevas estructuras orientadas exige también unas determinadas redistribuciones del agua (31).
Los procesos mecánicos de preparación de la masa plástica arcillosa, considerados en su conjunto, persiguen la distribución homogénea de los diversos componentes de la arcilla y de la fase acuosa.
Para lograr un buen mezclado de los sólidos, las partículas han de sufrir multitud de desplazamientos unas con respecto a otras, y esto se logra mejor en un medio poco viscoso que en un medio altamente viscoso.
Un ejemplo ilustrativo es el siguiente: Dos arcillas se mezclan bien si ambas están finamente molidas y secas, o ambas se encuentran en suspensión acuosa, que son los dos límites extremos de contenido de humedad, en los cuales los sistemas poseen una alta movilidad. Por el contrario, las
dos arcillas se mezclan mal si cada una de ellas, por separado, han sido llevadas previamente al estado plástico.
Estas diferencias de comportamiento de la arcilla al variar la humedad, se observan muy bien con ayuda de un plastógrafo Brabender. Este instrumento mide y registra la consistencia del material utilizando el par de torsión que se opone a un motor eléctrico conectado a una mezcladora de dos ejes giratorios, a los cuales se pueden acoplar distintas cuchillas o aspas para agitar la muestra.
El ensayo se comienza con polvo completamente seco, y en esas condiciones se ajusta la lectura del aparato a un valor cero de consistencia. A continuación se va añadiendo agua a velocidad constante, por ejemplo de 0,5 a 1 cc/min.
En la fig. 1 se presenta una curva típica de variación de la consistencia con la humedad, determinada en un ensayo
CO
8 200+
Fig. L
10 15 CONTENIDO EN
Variación de la consistencia de una masa arcillosa en función de su contenido en agua.
TABLA 1
PROPIEDADES FÍSICAS DEL AGUA ENTRE Oo y 100» C
VOLUMEN TENSION CALOR DILATACIÓN PRESIÓN T (OC) DENSIDAD ESPECIFICO SUPERFICIAL VISCOSIDAD ESPECIFICO TÉRMICA DE VAPOR
(g/cm3) (cm3/g) (dinas/cm ) (centípoises) (cal/g/oc) 106 Û:(OC-1) (mm. Hg)
0 0.99987 1.000160 75.6 1.787 1.00738 -68.14 4.579 5 0.99999 1.000036 74.9 1.519 1.00368 15.98 6.543
10 0.99973 1.000300 74.22 1.307 1.00129 87.90 9.209 15 0.99913 1.000900 73.49 1.139 0.99976 150.73 12.788 20 0.99823 1.001797 72.75 1.002 0.99883 206.61 17.535 25 0.99707 1.002961 71.97 0.8904 0.99828 257.05 23.756 30 0.99567 1.004369 71.18 0.7975 0.99802 303.14 31.824 35 0.99406 1.006000 — 0.7194 0.99795 345.71 42.175 40 0.99224 1.007842 69.56 0.6529 0.99804 385.36 55.324 45 0.99025 1.009881 — 0.5960 0.99826 422.60 71.88 1 50 0.98807 1.012107 67.91 0.5468 0.99854 457.81 92.51 55 0.98573 1.014512 — 0.5040 0.99895 491,32 118.04
1 60 0.98324 1.017089 66.18 0.4665 0.99943 523.38 149.38 1 65 0.98059 1.019833 — 0.4335 1.00000 554.22 187.54 1 70 0.97781 1.022740 64.4 0.4042 1.00067 584.04 233.7 1 75 0.97489 1.025805 — 0.3781 1.00143 613.00 289.1
80 0.97183 1.029027 62.6 0.3547 1.00229 641.27 355.1 85 0.96865 1.032404 — 0.3337 1.00327 668.98 433.6
i 90 0.96534 1.035934 — 0.3147 1.00437 696.26 525.76 95 0.96192 1.039617 — 0.2975 1.00561 723.24 633.90
100 0.95838 1.043453 58.9 0.2818 •
1.00697 ,— ___
750.01 760.00
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dinámico de esta naturaleza. En esta curva aparecen tres tramos muy bien definidos: Un tramo inicial, en el que no se observa más que un insignificante aumento de la consistencia. Un segundo tramo, en el que bruscamente aumenta la consistencia, y un último tramo, en el que la consistencia decrece también bruscamente.
En el primero, el agua forma películas de espesor muy variable, que envuelven a las partículas y a grupos de partículas, con el efecto macroscópico de una granulación. En el segundo, se introduce agua libre entre los granos, y las atracciones capilares debidas a la tensión superficial del agua van estableciendo una cohesión que aumenta hasta el punto de máxima consistencia. El agua añadida en cantidades superiores a la que corresponde a este máximo, hace crecer el espesor de las películas de agua libre entre las partículas, hasta que desaparece la atracción capilar, y la masa va convirtiéndose en una barbotina. En este estado, la consistencia tiende a aproximarse rápidamente al punto cero inicial.
La movilidad es grande cuando la arcilla se presenta como polvo y como suspensión, y muy pequeña en la etapa plástica intermedia.
Es interesante observar cómo influyen las atracciones capilares en el establecimiento del estado plástico de la arcilla, y qué papel juega la tensión superficial del agua.
R. West (34) ha demostrado el efecto de la temperatura sobre la consistencia de las masas arcillosas, utiUzando un plastógrafo de Brabender debidamente equipado para controlar la temperatura de la arcilla durante el ensayo mecánico. El trabajo de West ha puesto de manifiesto que la máxima consistencia disminuye al aumentar la temperatura. En un caso concreto, a O C la máxima consistencia es superior a 1000, a 30OC alcanza un valor de 950, y a TO^C, disminuye hasta 720.
La experimentación de West contribuye a demostrar los efectos de relajación citados por Hübner (4) (6). El aumento de la temperatura hace disminuir la rigidez y el espesor de las películas de agua absorbidas sobre las partículas, debido al aumento de la agitación térmica. También hace disminuir la tensión superficial del agua (ver tabla 1), lo cual tiende a debilitar la cohesión capilar (35).
Cuando se humidifica una arcilla seca por adición de agua líquida, ésta no se sitúa inmediatamente en las posiciones que, energéticamente, corresponden al equilibrio. El agua recién añadida, al menos en parte, se sitúa rápidamente en posiciones metastables y, después, siguiendo procesos lentos como por ejemplo la evaporación-condensación, se transporta gradualmente a sus posiciones de equilibrio.
Un ensayo ilustrativo es el siguiente (32): Sobre una arcilla seca y pulverizada se añade una pequeña cantidad de agua, goteando lentamente y homogeneizando a mano en un mortero de ágata. Acto seguido se estudia por ATD el efecto térmico de su secado, y se determina la temperatura máxima del efecto, que llamaremos Ti .
Por un camino inverso, es decir, por desecación de una masa más húmeda, se logra que la misma arcilla tenga un grado de humedad análogo al anterior. El ATD de este nuevo estado de la arcilla muestra que el efecto térmico producido tiene su máximo a una temperatura T2, que es superior a T i .
Si consideramos que la temperatura del máximo está relacionada con la energía de retención del agua por la arcilla, veremos que el agua añadida directamente sobre la arcilla seca, ha quedado temporalmente retenida con energías inferiores a las que le corresponden, lo cual indica que no está en equilibrio.
La existencia de áreas de distinto contenido en humedad dentro de una misma pieza es siempre indeseable, tanto
si dichas áreas son extensas como si, por su pequenez, tienen carácter textural.
Durante el secado, las heterogeneidades de humedad producen heterogeneidades de contracción, las cuales dan lugar a tensiones locaHzadas que, en algunos casos, sobrepasan unas determinadas condiciones límites y forman grietas.
Cuando las heterogeneidades de humedad afectan a áreas extensas, pueden causar defectos visibles, tales como alabeos y grietas. Por el contrario, cuando afectan a áreas muy pequeñas, producen micro tensiones o microgrietas, que actúan degenerando las propiedades tecnológicas de las piezas.
3. MECANISMOS DE TRANSPORTE DEL AGUA EN LA ARCILLA.
Con el empleo de masas arcillosas calentadas con vapor o por otros medios se persiguen dos grupos de objetivos principalmente:
a) Los derivados de un mejor acondicionamiento de la masa (mayor homogeneidad, menor presión de extrusión, menor contenido en agua, menor desgaste, mejores propiedades mecánicas, etc).
b) Los derivados de una temperatura más elevada de la masa al comenzar el secado (cambios profundos en los mecanismos de transporte de materia y de calor durante el secado, menor tiempo de secado, etc.).
Tanto en un caso como en otro, las ventajas se logran esencialmente porque se mejoran las condiciones del transporte del agua. En el primer caso, la elevación de la temperatura estimula el transporte del agua y favorece los mecanismos de la humidificación. En el segundo caso, el estímulo del transporte del agua va dirigido a favorecer los mecanismos del secado.
El amasado de la arcilla con vapor tiene un objetivo único: Aumentar la movüidad del agua por elevación de la temperatura. Con ello se logran los dos efectos beneficiosos deseados, que aparentemente son contrapuestos:
a) Estimular la infiltración del agua durante el amasado b) Estimular la expulsión del agua durante el secado. La razón íntima de todas las ventajas reside, pues, en
los mecanismos de transporte del agua en la masa arcillosa, de los cuales vamos a hacer una breve mención.
3.L Adsorción
Es bien sabido que la superficie de la arcilla seca muestra gran avidez por retener agua, que toma, como vapor, de la propia atmósfera. Existen unas fuertes interacciones entre las superficies insaturadas de la arcilla y las moléculas di-polares del agua. El espesor de la película de agua adsorbida ha sido calculado en 25 Angstrom por Houwink (29) y en 40 Angstrom por Mattson (29).
Como era de esperar, el agua adsorbida, sometida a influencias tan pecuHares, posee unas propiedades considerablemente distintas de las propias del agua libre normal. La viscosidad de esta agua es mayor que la del agua normal, y su presión de vapor menor. Por otra parte, las propiedades del agua no son constantes en todo el espesor de la capa adsorbida. Algunos autores consideran que la intensidad de la adsorción decrece exponencialmente al aumentar la distancia a la superficie de la partícula.
Macey (30) y otros autores han explicado el anormal comportamiento del agua adsorbida sobre la arcilla a una fuerte orientación de las moléculas del agua, y a la formación de una estructura acuosa de tipo hielo.
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El fenómeno de adsorción se manifiesta muy intensamente en las arcillas debido a la gran actividad de su superficie, y a su gran desarrollo superficial. Como es natural, esta capacidad de adsorción varía mucho de unas arcillas a otras, según sea la naturaleza de sus minerales predominantes.
Las fuerzas de adsorción entre la arcilla y el agua, consideradas en sus rasgos más generales, actúan rigidizando el agua y frenando o dificultando su movimiento. Al estar el agua más firmemente retenida, su presión de vapor es menor y, por tanto, su velocidad de evaporación también es menor. Por esta razón, el transporte del agua por vía gaseosa también se hace más lento.
Tanto la presión de vapor como la viscosidad del agua son afectadas por las variaciones de la temperatura. En las Tablas 1 y 2 se presentan los valores de estas propiedades a
TABLA 2
PRESIÓN DE VAPOR DEL AGUA POR ENCIMA DE lOOo C.
TEMPERATURA PRESIÓN TEMPERATURA PRESIÓN (OC) (mm.Hg) (OC) (mm.Hg)
100 760 116 1309.94 101 787.51 117 1352.95 102 815.86 118 1397.18 103 845,12 119 1442.63 104 875.06 120 1489.14 105 906.07 121 1536.80 106 937.92 122 1586.04 107 970.60 123 1636.36 108 1004.42 124 1687.81 109 1038.92 125 1740.93 110 1074.56 126 1795.12 111 1111.20 127 1850.83 112 1148.74 128 1907.83
1 113 1187.42 129 1966.35 114 1227.25 130 2026.16 115 1267.98
diversas temperaturas para el agua libre. En la fíg. 2 puede verse la variación de la viscosidad del agua entre 0^ y lOO C.
y !//* = :2,I482 Q^ -8,435)+^8078,4+(t-8,435)í¿]-l20
1,6-M =VISCOSIDAD( poises)
1? ' . 4 - t rTEMPERATURAÍ^'C)
5 1,2-O.
c 1,0-O
VISCOSIDAD DEL AGUA
^ 0,8-Q
Û 0,6-
o ^ 0,4->
0,2-
-H H 1 \ 20 40 60 80
TEMPERATURA (^0) Fig. 2 . - Variación de la viscosidad del agua entre 0^ y lOO^C.
3.2. Fuerzas capilares Las fuerzas capilares juegan un papel importante en la
cohesión de las masas arcillosas, y también son causantes del movimiento del agua.
En el caso de un líquido que moje las paredes de un capilar, la altura a la cual asciende dicho líquido viene dada por la expresión:
. 2 ( 7
en la cual: o = tensión superficial (dinas/cm) r = radio del capilar (cm) p = densidad (g/cm^). h = altura de la columna capilar (cm) g =981 cm/seg2.
En la Tabla 1 se presentan los valores de la densidad y de la tensión superficial del agua a temperaturas comprendidas entre Qo y lOQoC.
Según la fórmula anterior, cuanto más finos son los capilares, mayor es la altura a la cual ascienden los líquidos en ellos. En la fig. 3 se representan los valores calculados para la columna de agua líquida en capilares de radios comprendidos entre 0,01 M y 1 M a temperaturas de 0^ a lOO^C. En esta figura puede apreciarse el notable aumento de la altura de la columna capilar al disminuir el radio. Así, por ejemplo, a una temperatura constante de 20OC, la altura en un capilar de 0,10 M de radio es de 149 metros, mientras que en otro de 0,05M es de 297 metros. Ambos tamaños de poros son frecuentes en las arcillas.
0,05>
Û:200+ <
Û- 1 < I o z o CO
z LiJ O CO <
50f
lOOf
50 f
OJO/U
0,15/6 0,20/x
I / /
20 40 60 80 TEMPERATURA (^C)
I i. . 3.- Variación de la ascensión capilar con la temperatura en poros de radios comprendido entre 0,05 M y 1M
h = rgp (1)
En la misma fig. 3, se observa la influencia de la temperatura sobre la ascensión capilar del agua. En el caso de poros de 0,05 M de radio, la ascensión capilar varía desde 297 metros a 20oC, que puede ser la temperatura ambiente, hasta 275 metros a óO^C, que bien podría ser la temperatura de una masa arcillosa calentada con vapor.
Otro modo de considerar el efecto capilar es a través de la presión hidrostática negativa, o potencial de succión, que se ejerce en el agua que está inmediatamente por debajo del menisco cóncavo del capilar. Este potencial de succión equilibra a la presión de la columna capilar, hpp y, por tanto, es igual a 2or /r.
En la fig. 4 se presentan los valores calculados de potencial de succión del agua en capilares de radios comprendidos entre 0 , O l M y l M . A una temperatura constante de 20OC, el potencial de succión es de 143,7 atmósferas para capilares de 0,01 M de radio. En esta fig. 4 puede apreciarse la variación del potencial de succión entre 0^ y lOO^C.En el caso de poros de 0,05 ju , el potencial de succión es de 28,74 atmósferas a 200C, y de 26,13 atmósferas a óO^C, lo cual supone una diferencia de 2,61 atmósferas en tan sólo 40OC de variación.
Veamos ahora cómo influyen los efectos capilares sobre la presión de vapor de un líquido que moje las paredes y, por tanto, forme un menisco cóncavo. A igual temperatura, la presión de vapor en equiHbrio sobre el menisco cóncavo, Pe, es menor que la presión de vapor, Pp, sobre una superficie plana del mismo líquido, que es la llamada presión
208
0,05/t
0,10/c
0J5>t 0,20>t 0,25/x
20 40 60 TEMPERATURA (°C)
80
Fig. 4 . - Variación del potencial de succión con la temperatura en poros de radios comprendidos entre 0,05 M y Iß
de vapor de saturación a esa temperatura. En la Tabla 1 se presenta la presión de vapor de saturación del agua a temperaturas comprendidas entre Qo y lOQoC. A 20^0 tiene una presión de vapor de 17,535 mm de Hg, y a óO^C, esta presión de vapor sube hasta 149,38 mm de Hg.
Las presiones de vapor. Pe y Pp, están relacionadas con la humedad relativa (%jdel aire en equiHbrio con el menisco cóncavo, H, mediante la siguiente expresión:
log. (Pc/Pp)=logJH/100) (2)
A su vez, ambas presiones de vapor se relacionan con la presión hidrostática negativa, P, o potencial de succión, mediante la expresión:
log. (Pc/Pp) =PM/RT (3)
en la cual P es la presión hidrostática, de valor negativo, M es el peso molecular del agua, R es la constante de los gases, y T la temperatura absoluta.
Teniendo en cuenta que la presión hidrostática negativa P es igual a -2a/r , resulta que:
log. (Pc/Pp)= -2aM/pR^r (4)
en donde, como anteriormente, n es la tensión superficial del agua, p su densidad, y r el radio del capilar.
F. Moore (36), haciendo uso de estas ecuaciones, presenta en forma gráfica (fig. 5) la relación entre el radio de los poros y la humedad relativa en equilibrio con los meniscos acuosos, a 25^0.
En esta figura puede verse, por ejemplo, que los meniscos acuosos de capilares de 80 Angstrom de radio se hallan en equilibrio cuando la atmósfera que hay sobre ellos contiene una humedad relativa del 80%. Cuanto más pequeños son los poros, menores son las humedades relativas a las cuales están los meniscos en equilibrio. Un ejemplo práctico de este comportamiento es el siguiente: Cuando se somete un sólido poroso, por ejemplo arcilla, en el cual existen capilares de diversos diámetros, a la acción de una atmósfera de 80% de humedad relativa, los poros de 80 Angstrom de radio se hallan en equiHbrio, según indica la gráfica. En estas condiciones, los poros de radio superior a 80 A, van perdiendo agua por evaporación, y los poros de radio inferior a 80 A van ganando agua por condensación. De este modo, el agua se transfiere, vía vapor,desde los poros mayores, cuyos meniscos tienen mayor presión de vapor, hasta los poros
menores, cuyos meniscos tienen menor presión de vapor. Debido a la gran lentitud de este proceso, el equiHbrio se alcanza después de tiempos muy largos y, además, está sometido a histéresis.
La histéresis en el Uenado de los capilares por acción de la tensión superficial, podría estar relacionada con un efecto puesto de manifiesto por Haines (37) para el caso de que el radio de los capilares sea una función oscilante de su longitud, como ocurre en los poros que existen en los sistemas particulados.
Según Haines, en estos casos existen dos alturas alternativas de equilibrio para la ascensión del líquido en los capilares, de modo que dichos capilares retienen más líquido cuando se vacían que toman cuando se Uenan.
El proceso de vaciado de los capilares grandes por evaporación y de llenado de los pequeños por condensación, es un caso particular del fenómeno general de transferencia de líquido, vía vapor, entre dos puntos que poseen distinta presión de vapor. Abreviadamente, a este mecanismo se le conoce como "evaporación-condensación" (38) (39).
40 80 RADIO DEL
120 160 CAPILAR
200
Fig. 5 . - Relación entre la humedad relativa de equilibrio y el radio de los capilares según F. Moore (36).
En resumen, las fuerzas capilares, o fuerzas derivadas de la tensión superficial, pueden promover el movimiento del agua de dos modos distintos, uno por vía líquida y otro a través del vapor.
3.2.1. Desplazamiento del agua por vía líquida.
El agua se desplaza por vía líquida desde los lugares donde existe mayor presión hacia aquellos donde existe menor presión. Ya hemos visto que la presión hidrostática negativa, o potencial de succión, es mayor en los capilares pequeños que en los grandes (fig. 4). Por esta razón, en un material poroso húmedo que contenga poros de diversos diámetros, el agua tenderá a moverse desde los poros grandes hacia los pequeños, vaciándose los primeros y llenándose los segundos. De este modo, los capilares finos retienen agua mucho tiempo después de que se hayan vaciado los grandes. Para que el agua se desplace mediante este mecanismo, han de existir columnas líquidas continuas, lo cual ocurre solamente cuando los cuerpos porosos contienen humedades superiores a unos determinados niveles.
Si, por ejemplo, existiese comunicación líquida entre un capilar de 0,1 M de radio, que a 20^0 tiene un potencial de succión de 14,37 atmósferas, y otro de 0,25 M de radio.
209
cuyo potencial de succión es de sólo 5,75 atmósferas (fig. 4), el agua se movería desde el grueso hacia el fino impulsada por una diferencia de presión de casi nueve atmósferas.
Cuando, a bajos contenidos de humedad, un cuerpo poroso contiene agua líquida aislada en multitud de pequeños islotes, y no existe continuidad liquida en los capilares, el mecanismo anteriormente citado, que opera por desplazamiento de liquido, deja de ser válido. En este estado, la transferencia de agua de unos lugares a otros se verifica esencialmente por vía vapor.
Resulta interesante observar el efecto de la temperatura sobre la movilidad del agua.
En un conducto cilindrico, el volumen de agua que fluye por unidad de tiempo, expresado en cm^/seg., viene dado por la siguiente expresión:
(5)
en la cual r, es la viscosidad del agua en poises, p la diferencia de presión entre ambos extremos del conducto, expresada en dinas/cm^, r el radio, en cm., y 1 la longitud, en cm.
El flujo V es una función inversa de la viscosidad, y la viscosidad, a su vez, varía también inversamente con la temperatura.
Con el ñn de obtener una imagen cuantitativa del fenómeno, se ha realizado el cálculo del flujo para un modelo simple, consistente en un tubo de radio igual a 1 miera, y de 10 mieras de longitud, en cuyos extremos actúa una diferencia de presión de 1 dina/cm^.
La viscosidad del agua varía desde un valor de 1,787 centipoises, a O^C, hasta 0,2818 centipoises a lOO^C (Tabla 1).
UtiHzando estos datos de viscosidad, se han calculado los flujos que se muestran en la fig. 6.
20 40 60 80 TEMPERATURA ( ^0
Fig. 6.- Variación del flujo acuoso con la temperatura.
A 20OC, que puede ser la temperatura ambiente, el flujo, según el, modelo considerado, es de 3,92 micras^/seg., y a óO^C, que podría ser la temperatura de una arcilla amasada con vapor, el flujo es de 8,42 micras^/seg. A 900C, el
flujo es de 12,48 micras^/seg. Resulta, pues, que a óO^C se duplica el flujo, y a 90OC se tripHca.
Estos datos son suficientemente ilustrativos para demostrar cómo aumenta la movilidad del agua en el seno de la masa cuando se eleva la temperatura de la misma.
3.2.2. Desplazamiento del agua por vía vapor.
El agua se desplaza por vía vapor desde aquellos lugares donde existe mayor presión de vapor hacia aquellos donde existe menor presión de vapor. La presión de vapor de equi-Hbrio en los capilares finos es menor que en los grandes (Tabla 3). Por esta razón existe la tendencia a evaporarse agua en los grandes capilares y a condensarse en los pequeños.
A diferencia del desplazamiento del agua líquida en los capüares, que es un fenómeno rápido, el transporte por vía vapor es lento.
Con el fin de ilustrar numéricamente la disminución de la presión de vapor por efecto capñar, se han realizado los cálculos para el caso del agua, considerando capilares de radios comprendidos entre 0,01 M y 1^ .También se han calculado las presiones de vapor correspondientes al equilibrio para todos los capilares, a temperaturas comprendidas entre OoCy lOOoC.
Para este cálculo se ha empleado la ecuación (4), en la cual Pe y Pp son respectivamente, las presiones de vapor en equilibrio con el menisco cóncavo, de radio r, y con la superficie plana del agua, expresadas ambas en dinas/cm2.
Las presiones de vapor correspondientes al equilibrio sobre la superficie plana, a diversas temperaturas, son las indicadas en la Tabla 1, aunque expresadas en dinas/cm^. La presión de vapor del agua libre, Pp, varía desde 6,104 x 10^ dinas/cm2, a O^C, hasta 1013,08 x 103 dinas/cm2, a lOO^C.
En la ecuación (4), o. es la tensión superficial del agua, expresada en dinas/cm., M el peso molecular del agua, P la densidad, en g/cm^, T la temperatura absoluta, en OK, y R la constante de los gases (R = 8,31432 x 10^ erg. OK"^. mol-1).
Transformando los logaritmos neperianos en decimales, la ecuación (4) se convierte en:
logPc = l o g P p - 1'8804 ' rTp X 10/
Utilizando los valores de a , Pp y p contenidos en la Tabla 1, se han calculado las presiones de vapor, expresadas en mm. de Hg, en equilibrio sobre capilares de 0,01 M a 1 M de radio, a temperaturas comprendidas entre 0^ y lOO^C. En la Tabla 3 se presentan los resultados.
Resulta interesante observar cómo disminuye la presión de vapor a medida que se van haciendo más finos los capilares. Tomando como término de comparación la presión de vapor del agua libre, puede verse que la depresión capilar, o disminución de la presión de vapor, es muy pequeña en poros de radio superior a O,IM . En poros de 0,0IM la depresión es muy acusada.
También debe observarse que, en capilares finos, la depresión capilar es mucho más importante a temperaturas altas que a temperaturas bajas. Así, por ejemplo, a la temperatura ambiente de 200C, la diferencia de presiones de vapor entre el agua libre y el menisco de un capilar de 0,01 M de radio, es de 1,79 mm Hg, mientras que esta diferencia se hace 12,51 mm Hg a óO^C, que sería la temperatura de una arcilla amasada con vapor. Al pasar de 20^ a 60oC,la diferencia de presiones de vapor se hace siete veces mayor.
El transporte del agua de un punto a otro, por evaporación-condensación, se produce porque existe una diferencia
210
de presiones de vapor entre esos puntos. Por ello, cabe esperar que dicho transporte se facilite y se acelere cuando aumente dicha diferencia. Los datos que se acaban de exponer indican que el aumento de la temperatura de la masa es causa de que se active notablemente el movimiento del agua de unos lugares a otros por vía vapor.
3.3. Diferencias de temperatura.
Cuando se encierra una arcilla humedecida en un recipiente hermético y se aplica un gradiente de temperatura, se produce un enriquecimiento en agua de las partes más frías y un empobrecimiento de las más calientes. El agua, en este caso, migra por efecto de la diferencia de temperatura.
El transporte del agua por esta causa ha sido estudiado principalmente en árenlas y en otros sólidos porosos en los cuales los poros no están totalmente llenos de agua líquida y, en consecuencia, aún existen espacios ocupados por la fase gaseosa (38) (40) (41). En este estado es posible el transporte del agua por vía vapor, mediante el mecanismo de evaporación-condensación.
En el caso ideal de que no interviniesen otras acciones perturbadoras, el movimiento del agua sería producido exclusivamente por la diferencia de presión de vapor creada por la existencia de una diferencia de temperatura.
Consideremos un sóhdo poroso ideal que tenga todos sus poros del mismo radio, por ejemplo de 0,10 M , y un contenido en agua suficientemente pequeño para que en él existan importantes volúmenes de fase gaseosa. Si en este sólido, encerrado herméticamente, se establece una diferencia de temperatura de, por ejemplo, 10< C (lO^C en su parte más fría y 300C en su parte más caliente), las presiones de vapor de agua en esos lugares serán, respectivamente, de 17,35 mm Hg y de 31,50 mm Hg (Tabla 3). Esta diferencia de presión de vapor de 14,15 mm Hg es la causante de la migración del agua hacia las partes más frías.
TABLA 3
Presión de ^ rapor de agua en capilares de 0,01^ a 1 M de radio, a temperaturas comprendidas entre 0« y 1 OOo C.
RADIO DE LOS CAPILARES (mieras) AGUA
TEMPERATURA 0.01 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 1 LIBRE
(OC) PRESIÓN DE VAPOR DE AGUA (mm. Hg)
0 4.06 4.47 4.52 4.54 4.55 4.56 4.57 4.58 10 8.23 9.01 9.11 9.14 9.16 9.17 9.20 9.21 20 15.74 17.16 17.35 17.41 17.44 17.46 17.51 17.53 30 28.74 31.18 31.50 31.61 31.67 31.69 31.80 31.82 40 50.22 54.27 54.80 54.98 55.06 55.12 58.22 55.32 50 84.38 90.81 91.66 91.94 92.09 92.16 92.42 92.51 60 136.87 146.77 148.09 148.54 148.73 148.88 149.25 149.38 70 215.08 229.86 231.81 232.41 232.75 232.97 233.50 233.70 80 328.06 349.44 352.29 353.19 353.64 353.86 354.76 355.10
100 707.58 749.14 754.69 756.19 757.69 758.06 759.57 760.00
3.4. Acciones osmóticas.
Cuando se pone agua en contacto directo con una disolución acuosa, se produce una homogeneización del soluto en toda la masa acuosa para dar una disolución de concentración uniforme.
Si el contacto entre la disolución acuosa y el agua no fuese directo, sino que se reaÜzase a través de una membrana semipermeable, que permitiese el paso del agua pero no del soluto, el agua pasaría a través de la membrana aún a costa de producir una determinada columna hidrostática. La presión osmótica de la disolución se mide por la columna hidrostática con la cual se establece el equilibrio.
En el caso de las arcillas, también existen acciones osmóticas (29). Por disociación en presencia de agua o por
otras causas, las partículas arcillosas tienden a cargarse negativamente, y estas cargas negativas están compensadas por la presencia de iones positivos en las películas de agua que las rodean.
Cuando en la arcilla existe un gradiente de contenido de humedad, se crea un gradiente de concentración de los cationes que forman la atmósfera iónica, y por ello un gradiente de presión osmótica, que induce al agua a fluir en la dirección más adecuada para disminuir estos gradientes.
Análogamente a lo que ocurre con la fuerzas capilares, las fuerzas osmóticas también están relacionadas con un descenso de la presión de vapor, lo cual da lugar a que entren en acción los mecanismos de evaporación-condensación. En resumen, las fuerzas osmóticas pueden estimular el transporte del agua, bien sea por vía líquida o por vía de vapor.
4. SECADO DE LAS MASAS ARCILLOSAS PREC ALENTAD AS.
Las masas arcillosas precalentadas muestran un comportamiento al secado muy distinto del que exhiben las masas frías.
Un rasgo característico es que las diferencias de humedad entre la superficie y el interior de las piezas, que se hallan en alguna etapa intermedia del secado, son menores en las masas precalentadas que en las frías (fig. 7). Esto supone
O o
PRECALENTADO
NO PRECALENTADO
CARA CENTRO CARA Fig. 7.- Gradientes de humedad establecidos durante el secado en
masas arcillosas precalentadas y no precalentadas.
que las masas precalentadas tienden a conservar una más homogénea distribución de la humedad durante el secado y, por tanto, las piezas sufren menos contracciones irregulares. La irregularidad en la contracción es la causa más obvia de las deformaciones y de las grietas. Cada arcilla posee un valor máximo crítico de gradiente de humedad, por encima del cual se produce el agrietamiento. Por ello, es conveniente que a lo largo de todo el secado no se establezcan gradientes de humedad excesivamente altos. El amasado con vapor contribuye muy eficazmente a lograr este fin.
211
Otro aspecto interesante a considerar es la intensificación del flujo capilar y, por tanto, la aceleración del secado, por un transporte más eficaz de agua liquida a las superficies de evaporación.
Cuando se seca, por calentamiento, una masa arcillosa fría, el calor se transporta desde fuera hacia dentro, mientras que el agua lo hace en sentido opuesto. En masas preca-lentadas sometidas a regímenes normales de secado, el calor fluye desde dentro hacia fuera, en el mismo sentido que lo hace el agua. Esta inversión de la difusión térmica altera profundamente toda la dinámica del secado. Un aspecto práctico que debe considerarse también es que, con masas precalentadas, se puede comenzar el secado a temperaturas más elevadas que con masas frías.
Durante el secado de piezas frías tienden a establecerse importantes gradientes de temperatura, tanto si dichas piezas frías son introducidas en un secadero frío y se eleva la temperatura del conjunto, como si son introducidas en un secadero caliente. En ambos casos existe un considerable retraso de la temperatura del interior con respecto a la temperatura de la superficie.
El caso ideal de minimización de los gradientes térmicos ocurre cuando se introducen piezas caHentes en un secadero que se halla a la misma temperatura. En ese caso, las características físicas de la masa son iguales en cualquier lugar de la misma.
Ya hemos visto cómo influye la temperatura en las propiedades físicas del agua y, por tanto, se comprende que los gradientes de temperatura que espontáneamente se producen durante el secado normal sean suficientes para que, en una misma pieza, y a un mismo tiempo, se estén desarrollando procesos de transporte en condiciones muy dispares. Es decir, no todas las partes de la pieza hacen lo mismo al mismo tiempo.
Cuando se introduce una pieza precalentada en un secadero frío, que comienza a calentarse según una curva de crecimiento determinada, se observa un comportamiento complejo. En principio el ambiente está frío, y la superficie de la pieza se enfría con cierta rapidez, mientras que su interior se mantiene más caliente. Cuando la superficie de la pieza desciende hasta la temperatura del secadero, el interior aún conserva una temperatura más alta.
Como la temperatura ambiental del secadero sigue aumentando, la temperatura de la superficie de la pieza crece, tratando de seguirla. Entre tanto, la temperatura del interior desciende ligeramente, o se mantiene casi constante, hasta que se Uega a una situación en la cual la temperatura del interior coincide con la del ambiente, y la de la superficie queda por debajo. Más adelante se igualan las temperaturas de la superficie y del interior de la pieza, quedando ambas por debajo de la del ambiente. A partir de aquí se produce una nueva inversión, en la cual el interior está más frío que la superficie.
Este es un ejemplo en el cual se producen claras inversiones de las temperaturas del interior y de la superficie. Además de esta complejidad de comportamiento, el iniciar en frío el secado de piezas precalentadas tiene el inconveniente de que se produce un enfriamiento neto de las mismas.
En general, el secado de una masa arcillosa plástica ocurre en dos etapas o periodos:
a) Un primer periodo de velocidad constante de secado, durante el cual la velocidad de ehminación de agua por unidad de superficie expuesta es constante.
b) Un segundo periodo de velocidad decreciente de secado, durante el cual la velocidad instantánea de eliminación de agua decrece continuamente.
En el caso de las masas arcñlosas, se ha puesto de manifiesto la existencia de dos periodos consecutivos de velocidad decreciente de secado:
— En el primero de ellos, la evaporación del agua aún se produce en la superficie de la masa arcillosa, y la velocidad de evaporación depende de la velocidad a la cual puede fluir el agua desde el interior a la superficie, y de la velocidad de difusión del vapor de agua desde la superficie de la arcilla hacia el interior de la masa de aire que la rodea.
— En el segundo periodo de velocidad decreciente, la superficie está seca o casi seca. En este periodo la evaporación tiene lugar en el interior de la masa arciñosa, y el vapor se difunde por los poros hasta saHr al exterior. La velocidad de secado está controlada principalmente por la velocidad de difusión del vapor en el interior de los capilares.
En resumen, puede decirse que la masa plástica de arcilla pierde agua, primero por evaporación a partir de su superficie húmeda, después por evaporación a partir de dicha superficie húmeda, que gradualmente va disminuyendo su área y, finalmente, por evaporación en el interior del sóHdo.
Durante el secado de las piezas operan dos grupos de factores: a) Factores internos, que afectan al movimiento del agua dentro de las piezas, tales como flujo capilar, difusión, evaporación-condensación, etc., y b) Factores externos, que incluyen la geometría de la pieza, las condiciones ambientales y las condiciones de posición.
Durante el periodo de velocidad constante de secado, y el primer periodo de velocidad decreciente, en los cuales la evaporación se produce en la superficie de la pieza, el secado depende del transporte de agua, por vía líquida, desde el interior hasta la superficie, y también de todos los factores externos que condicionan la velocidad de la evaporación en la superficie, así como el arrastre de la humedad por la masa gaseosa.
Durante el segundo periodo de velocidad decreciente, la evaporación tiene lugar en el interior del sólido, y el vapor formado por evaporación en los meniscos acuosos, se difunde molecularmente a lo largo de los capilares, hasta alcanzar el ambiente exterior. Además de esta evaporación, se producen movimientos capilares del agua dentro del sólido para adaptarse a las nuevas situaciones que la progresiva evaporación va creando.
La velocidad de difusión del vapor de agua en los poros es el factor principal que controla la velocidad global del secado en este periodo y, por ello, los factores externos, tales como la velocidad del aire, pierden gran parte de su significación.
La interpretación del comportamiento al secado de las masas arcillosas precalentadas debe hacerse basándose en los siguientes conocimientos: a) Propiedades físicas del agua y su variación con la temperatura; b) Mecanismos de transporte del agua en los sólidos porosos y c) Secuencias de procesos que operan durante el secado de las arcillas.
Desde el punto de vista práctico, el tratamiento con vapor de las arcillas permite:
a) Disminuir el gradiente de humedad en el interior de las piezas durante el secado, con lo cual se reducen las tensiones internas.
b) Aumentar la resistencia mecánica en seco y disminuir las roturas debidas al secado.
c) Acortar el tiempo de secado.
5. CONSIDERACIONES FINALES
El tratamiento con vapor de las masas arcillosas permite obtener dos grupos de ventajas:
a) Mejor acondicionamiento de la masa. b) Secado más racional.
212
5.1. Mejor acondicionamiento de la masa
Con la elevación de temperatura se consigue una mayor homogeneización de los componentes de la arcilla y una mejor distribución del agua en la masa. Estos hechos, a su vez, mejoran la caHdad de los productos, porque son más homogéneos y porque poseen propiedades mecánicas más elevadas. Así, por ejemplo (2), en una masa sin precalentar, la resistencia a compresión del producto cocido ha sido de 165 Kg/cm2 y la densidad de 1,88 g/cm^, mientras que con la misma masa, precalentada a 500C, los correspondientes valores han sido 211 kg/cm^ y 1,91 g/cm^. Otras ventajas complementarias de gran significación son: disminución de la presión de extrusión, menor desgaste y menor contenido en agua de la masa.
5.2. Secado más racional
Al iniciarse el secado con una masa plástica precalentada, se disminuyen los gradientes de humedad en las piezas y se invierte el sentido de la difusión térmica. También tienden a reducirse los gradientes de temperatura dentro de las piezas. En la masa caüente se activan los mecanismos de transporte del agua, por vi'a líquida y por vía vapor, y se acelera el secado. Desde el punto de vista práctico, el resultado es un aumento de la caHdad de las piezas secas y un acortamiento del ciclo de secado.
La arcilla amasada con vapor, que sale caliente de la máquina de extrusión, debe ser introducida en el secadero antes de que se enfríe. Si se deja enfriar, se pierden todas las ventajas relacionadas con el secado, aunque subsisten las derivadas de un mejor acondicionamiento de la masa.
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