Semana 4 el yeso intr0duccióN



Descargar 168.22 Kb.
Página1/3
Fecha de conversión19.11.2018
Tamaño168.22 Kb.
  1   2   3

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA E.AP. INGENIERÍA CIVIL

FACULTAD DE INGENIERÍA Tecnología de los Materiales

DAICS 2011-II



SEMANA 4

EL YESO


  1. INTR0DUCCIÓN

El yeso o algez y la anhidrita natural están ampliamente distribuidos en la corteza terrestre.

Se trata de dos minerales que contienen en su composición sulfato cálcico. El yeso es sulfato cálcico dihidrato (CaSO4·2H2O) y su nombre proviene del griego "gyps" que significa "mineral calcinado".

En cuanto a la anhidrita, se trata de sulfato cálcico anhidro (CaSO4) y su nombre proviene del griego "sin agua" por contraposición al yeso hidratado. Su composición química expresada en forma de óxidos es de 33,56 % de CaO, 46,51% de SO3 y 20,93 % de H2O para el yeso y de 41,2% de CaO y 58,8% de SO3 para la anhidrita.
El yeso es un buen material de construcción porque cuando se calienta pierde rápidamente su agua de hidratación, produciendo yeso calcinado, deshidratado parcial o totalmente, que recupera su estructura cristalina cuando se hidrata, fraguando y endureciendo.

Estos dos procesos, deshidratación y rehidratación son la base de la tecnología del yeso.


Desde la más remota antigüedad, el yeso ha estado presente en el progreso del hombre, tanto en la construcción como en la decoración, o en campos como la medicina y la alimentación. Todo ello gracias a su adaptabilidad, facilidad de aplicación y ventajas características.


    1. Historia

El yeso es uno de los minerales más antiguos utilizados como ligante en la humanidad. Se tiene conocimiento de la utilización del yeso desde el Neolítico para realizar cimientos, muros y también como soporte pictórico. En Anatolia encontramos frescos decorativos sobre base de yeso con 9000 años de antigüedad. El estuco de yeso aparece como material de construcción aplicado en las paredes interiores de algunas pirámides egipcias, con una antigüedad aproximada de 5000 años.

En la Península Ibérica se generalizó el uso durante el periodo de ocupación romana. Con posterioridad, fue un elemento ornamental y constante en la arquitectura musulmana y mozárabe de las que conservamos ejemplos de extraordinario esplendor en la Mezquita de Córdoba, la Alhambra de Granada, etc.



En el románico, el yeso se empleó en la elaboración de frescos para la decoración de iglesias y capillas.

El máximo esplendor lo tuvo en las épocas del Barroco y Rococó. El barroco español (s. XVI a XVII) influyó en toda América Latina e incorporó multitud de motivos realizados en yeso (plafones, volutas, adornos, etc.). A finales del barroco, el yeso se utiliza ampliamente en construcción y en la elaboración de esculturas. En el s. XIX, el yeso va gradualmente incorporándose a la arquitectura civil como material de revoco y como elemento decorativo en palacios y viviendas.

El primer científico que estudió el yeso y sus propiedades fue Lavoisier (1765) sembrando sus principios. Numerosos investigadores han continuado sus estudios hasta nuestros tiempos.

Coincidiendo con la expansión de la industria del cemento, en la segunda mitad del siglo XIX, el yeso alcanzó un considerable desarrollo.



  1. MATERIAS PRIMAS

2.1 De origen Natural

El yeso natural y la anhidrita natural proceden de depósitos formados por la evaporación y posterior cristalización de lagunas saladas, de aquí la denominación de Evaporitas.

Los mares contienen una gran proporción de sales. En concreto, el contenido medio en sales de los mares es del orden de la tabla que se adjunta. La salinidad media del agua del mar es del orden de 3.5%, valor que es relativamente homogéneo en términos de grandes océanos. Este valor se hace mayor en determinados casos, alcanzando valores de incluso el 30%.


Ión

Cloruro

Sulfato

Bicarbonato

Sodio

Magnesio

Calcio

Potasio

ppm

19000

2700

140

10800

1300

400

400

Existen determinados medios sedimentarios como las albuferas, en las que existe un brazo de mar individualizado del mismo por una barra de arena, que permite ocasionalmente el paso del agua, pero las aísla durante largos periodos de tiempo. En estas condiciones, y bajo una fuerte insolación, el agua se evapora, aumentando progresivamente la concentración en sales hasta su precipitación. Posteriormente y durante una tormenta o una pleamar especialmente intensa se vuelve a introducir agua de mar en la cuenca, reiniciando el proceso.


En cualquier caso, el contenido medio en sales de los mares y océanos permite establecer la naturaleza de las sales que precipitan a partir del agua de mar: en primer lugar se alcanza la saturación en sulfato cálcico, que es el menos soluble, así que serán yeso o anhidrita los primeros minerales que precipiten. A continuación se produce la saturación en cloruro sódico, produciéndose la precipitación de halita (cloruro sódico). Por último precipitan los cloruros de potasio y magnesio (silvina, carnalita...), que son los más solubles. A menudo estos minerales aparecen constituyendo capas dentro de las formaciones evaporíticas, con yeso en las capas basales, halita en las intermedias, y sales potásicas y magnésicas en las más altas. Posteriormente los movimientos geológicos tales como fracturas y fallas han hecho que la disposición inicial, actualmente se encuentre cambiada.

Sobre este modelo general, en cada cuenca concreta suele darse un predominio de unos u otros minerales: en algunos casos será el yeso (a menudo acompañado de anhidrita) el mineral mayoritario, lo que permite su explotación, en otros, el cloruro sódico (halita), y en otros, los cloruros de potasio y magnesio.

Los depósitos más gruesos y abundantes de yeso se formaron en el Triásico y Era Terciaria, hace varios millones de años. Estos depósitos constituyen la mayor fuente de materia prima para la industria yesera. En España las zonas con mayor contenido en yeso corresponden a las zonas más orientales desde el centro (Madrid) hacia el este, destacando Zaragoza en el norte y Almería en el sur y en general todo el mediterráneo español.
En los depósitos de yesos se pueden encontrar intercaladas capas de dolomías (CaCO3·MgCO3) y calizas, así como de arcillas, que pueden dificultar su explotación. También existe el inconveniente de la aparición de la anhidrita natural, mineral que es un inerte. La formación de la anhidrita natural parece que sea debida al recibir altas presiones (litostáticas) ocurridas en el seno del depósito, originando una deshidratación y cambio de estructura cristalográfica, debido a las presiones de compresión recibidas.




En el yeso se encuentran diferentes variedades, en función de su formación. Los más corrientes tienen la forma sacaroide (como el azúcar), selenita o espejuelo (cristalino), alabastro, sericolita (yeso fibroso), flor del desierto, yesos rojos, morenos, en función de las impurezas que hacen cambiar el color blanco original.










Las explotaciones de los depósitos de yeso se realizan normalmente en canteras a cielo abierto, aunque existen también explotaciones en minas subterráneas. Estas explotaciones son realizadas por profesionales de la ingeniería minera, quienes proyectan los frentes de explotación, analizan los impactos ambientales y su minimización, así como desarrollan las labores de restauración del Espacio Natural. El yeso es una materia prima que por su alta solubilidad en la corteza terrestre, solo en casos relativamente raros se presenta en grandes cantidades. En estas explotaciones el objetivo es conseguir una materia prima con un mínimo de pureza en yeso del orden del 85 % para los yesos de construcción y del orden de un 92 % para la escayolas.








Para conseguir este resultado se aplican las técnicas mineras convencionales del banqueo, perforación y volcado con pegas eléctricas y explosivos. La materia prima es recogida y transportada con camiones a la fábrica para su transformación.





2.2 De origen Sintético-Subproductos

El aprovechamiento del yeso como subproducto de otros procesos es una ventaja desde el punto de vista medioambiental porque se reutilizan los subproductos y se limita la agresión del medio ambiente en las dos direcciones. Actualmente se produce anualmente más yeso sintético que el que se extrae de fuentes naturales.

El DESULFOYESO conocido como FGD (Flue gas desulphurization gypsum) procede de la desulfurización de los gases de combustión, normalmente de las centrales térmicas, que utilizan combustibles fósiles (carbones, fuel) que poseen azufre en su composición, y que al realizar la combustión desprenden además del CO2 y H2O, el SO2. Este último gas puede provocar efectos devastadores en la forma de lluvia ácida (H2SO4). Y es por tanto necesario su eliminación a través de procesos de lavado de los gases de combustión con soluciones de cal y/o hidróxido cálcico, realizando su transformación a bisulfito cálcico con una posterior oxidación con aire a sulfato cálcico. Finalmente se obtiene un precipitado de partículas muy finas.

Alrededor de 5,4 t de yeso son obtenidas a partir de 1t de azufre contenido en el fuel.

También pueden aprovecharse el yeso que se obtiene como subproducto de los procesos de obtención de diferentes ácidos minerales como el ácido fosfórico, a partir del tratamiento de la roca fosfática con ácido sulfúrico. A partir de 1 t de roca fosfática y 1 t de ácido sulfúrico se obtiene 1,7 t de FOSFOYESO y 0.4-0.5 t de ácido fosfórico. Actualmente se extraen 130 Mt de fosfoyeso, de las cuales sólo son aprovechables un 4 % por razones económicas y por cuestiones de impurezas.

Otra fuente de yeso sintético es la FLUOROANHIDRITA, procedente de la obtención del ácido fluorhídrico, al tratar la fluorita con el ácido sulfúrico. A partir de 1 t de fluorita tratada con 1,25 t de ácido sulfúrico se obtienen 0,5 t de ácido fluorhídrico y 1,7 t de anhidrita. En el mundo se producen entre 2-3 Mt por este proceso, siendo parcialmente utilizadas.



También se obtiene yeso a partir del proceso de producción de otros ácidos como tartárico, cítrico, oxálico, bórico, así como en la purificación del pigmento óxido de titanio. En este caso al yeso obtenido se le denomina TITANOYESO.

Estos subproductos pueden ser utilizados por la industrias yesera y cementera, en los países con déficit de materia prima natural, ó en países con una gran mentalización medioambiental ya que para utilizar estos subproductos se requiere de unas inversiones adicionales para acondicionar la materia prima que viene en forma de suspensión o pasta y en consecuencia de mayores costes de explotación, por llevar una humedad adicional y un tamaño de partícula que dificultan la calcinación. Todo ello hace que se tenga que recurrrir a subvenciones estatales para poder ser competitivos frenta a la abundante materia prima natural.



  1. PROPIEDADES

3.1 Fases

La razón fundamental de la aplicación del yeso en la construcción es la facilidad con que se dan las siguientes transformaciones en las que está implicado (reacciones reversibles):



  1. Por efecto de calentamiento, el yeso dihidrato (CaSO4.2H2O) cambia de fase y pierde agua combinada transformándose en semihidrato (CaSO4.1/2 H2O) y anhidritas (CaSO4)



  1. cuando se le añade agua al semihidrato y algunas anhidritas tienen capacidad de endurecer (fraguar), quedando el yeso fraguado en su estado original (yeso dihidrato).

Partiendo de yeso crudo dihidrato (DH) (cuyos cristales son del sistema monoclínico) y por calentamiento, ocurre la primera transformación a hemihidrato o semihidrato (SH) (del sistema romboédrico). A presión atmosférica la temperatura de equilibrio es de 107ºC, siendo una reacción endotérmica que requiere una energía de unas 600 MJ/t de semihidrato.



En esta reacción, el equilibrio se establece en función de la presión de vapor existente. La constante de equilibrio es proporcional a la presión de vapor de agua elevado a 3/2, por lo que dependerá de que la atmósfera sea seca o muy húmeda, para influir en el equilibrio de la reacción y por consiguiente en su velocidad y en la forma de los cristales obtenidos. Con atmósferas secas la deshidratación es más brusca y genera cristales aciculares de semihidrato, denominados BETA. En cambio con atmósferas húmedas y presiones de 2-4 bares se generan cristales de SH más gruesos con formas más cuadradas, denominados del tipo ALFA.




La mayor diferencia entre los ALFA y BETA, se encuentra en que los ALFA tienen mucha menor superficie específica. Esto hace que los SH-alfa se mojen mejor que los beta y necesiten una menor relación de agua/yeso en el amasado. En consecuencia dan yesos más duros que los beta. Estos yesos alfa son utilizados para aplicaciones especiales como moldes para cerámica, odontología, etc.

Los SH más empleados en la construcción son los SH-beta, que son fabricados en atmósferas secas y con depresión, para favorecer la reacción. Los SH-beta son obtenidos industrialmente a temperaturas superiores a la de equilibrio (107 ºC) del orden de 120-190 ºC, según el horno, para favorecer cinéticamente el proceso de calcinación. La capacidad de fraguar del semihidrato hace de este producto la fase básica en la fabricación de yesos. El tiempo de fraguado o capacidad de endurecer es de unos 30 minutos aproximadamente.

Si se sigue incrementando la temperatura de calcinación hasta llegar como máximo a los 290 ºC se empiezan a formar las anhidritas III que son solubles (ANH-III, sistema romboédrico) y muy inestables, ávidas de agua, y cuyo calor de formación a partir del dihidrato es del orden de 900 MJ/t de anhidrita. La anhidrita III, al permanecer al ambiente, rápidamente toma agua y se transforman en SH.

La ANH-III por esta característica se aplica en la industria como producto desecador. La ANH-III será del tipo beta o alfa según el procedimiento aplicado, sea en atmósfera seca o con presión de vapor en atmósfera húmeda. Esta fase le confiere al yeso mucha reactividad y no suele ser deseada en la composición final del producto salvo aplicaciones especiales. La ANH-III tiene mayor superficie de reactividad que el SH y por eso fragua más rápido que el propio SH.

Si seguimos calentando el yeso cuando llegamos a las temperaturas entre 300-900ºC se forman las anhidritas II, parcialmente solubles, (ANH-II, sistema rómbico) y cuyo calor de formación a partir del dihidrato es de 800 MJ/t. Tienen mayor estabilidad al ambiente y una capacidad de fraguar con el agua entre 3-7 días según el grado de calcinación alcanzado. Industrialmente se trabaja en el entorno de 550 ºC. La ANH-II es la fase buscada en la fabricación de yesos para añadir al SH y conseguir diferentes tipos de productos de fraguado diferente, en función de las dosificaciones empleadas.

Cuando se pasa de la temperatura de 900 ºC se forma la anhidrita-I (sistema cúbico) insoluble ó muerta porque ya no tiene capacidad de fraguar y si se sigue aumentando la temperatura se disocia en SO3+CaO.


La siguiente tabla muestra las fases del sistema y algunas de las propiedades físico químicas de sus compuestos:

Fase

Nombres

Sistema cristalino

Agua combin. (%)

Densidad (kg/m3)

Peso molecular (g/mol)

Dureza Mohs

Solub. en agua 20ºC (g/100 g solución)

SO4Ca·2H2O

Sulfato cálcico dihidrato, Yeso dihidrato, Aljez, Yeso químico, Yeso fraguado, Yeso endurecido, Yeso sintético, Yeso subproducto

monoclín.

20,92

2310

172,17

1,5

0,21

SO4Ca·1/2 H2O (beta)

Sulfato cálcico semihidrato beta, Hemihidrato beta, Escayola, Yeso de París, Estuco

romboéd.

6,21

2630

145,15

 

0,88

SO4Ca·1/2 H2O (alfa)

Semihidrato alfa, Hemihidrato alfa, yeso de autoclave

romboéd.

6,21

2760

145,15

 

0,67

SO4Ca III

Anhidrita III, Anhidrita soluble

hexagonal

0

2580

136,14

 

hidrata a semihidrato

SO4Ca II

Anhidrita II, Anhidrita natural, Anhidrita sintética, Anhidrita química, Anhidrita calcinada, Anhidrita subproducto

rómbico

0

2950

136,14

3 - 4

0,27

SO4Ca I

Anhidrita de alta temperatura

cúbico

0

-

136,14

 

-



3.2 Fragua del Yeso

La capacidad de endurecer las fases anhidras del yeso al añadirles agua en poco tiempo volviendo a su estado original de DH es lo que se conoce como fraguado. El fraguado ocurre al solubilizarse el SH en el agua y restituirse el agua combinada necesaria para formar el DH. Éste último por ser más insoluble que el SH, precipita, volviéndose a disolverse más SH y precipitando más DH. Los cristales de DH formados se entrecruzan formando una estructura rígida como las que se observan en las siguientes fotografías obtenidas por microscopía electrónica de barrido.





La velocidad de secado influye en el tamaño de los cristales formados: velocidades de secado pequeñas (fotografía inferior) producen cristales más grandes que los producidos con velocidades de secado más rápidas. La estructura formada posee unas cualidades de dureza superficial y resistencia mecánica adecuada para realizar revestimientos de interiores, así como piezas prefabricadas. Para medir su dureza se utilizan durómetros de escala tipo Shore C. Con ellos se mide la resistencia que ofrece la capa de yeso a la penetración de un cuerpo de cierta forma geométrica, bajo la aplicación de una determinada fuerza de presión constante. La profundidad de la penetración es medida y reflejada de forma analógica en el durómetro. Para realizar una medida, el durómetro se apoya y presiona contra la pared lo que produce la fuerza de presión. La profundidad de penetración resultante mide directamente la dureza shore C de la muestra.

En el fraguado se añade normalmente mayor contenido de agua a la estequiométrica necesaria con objeto de poder realizar un mejor amasado y tener un producto más plástico que se pueda moldear. Una vez fraguado el yeso, el agua excedentaria se evapora a través de la masa de yeso dejando una microporosidad. Esta porosidad es tanto mayor cuanto mayor cantidad de agua se le ponga al yeso superior a la estequiométrica ocurriendo una pérdida de resistencia mecánica si se hacen excesos.

Durante el secado, que suele ser un proceso lento, el agua en exceso debe desplazarse hasta la superficie del yeso donde se evapora. Si el SH o ANH de partida contuviera sales solubles en agua, durante el proceso de secado serían transportadas por el agua a través de los poros de la estructura. Aunque el contenido en sales solubles fuera pequeño, éstas se irían acumulando en la superficie en determinados puntos, dando lugar a eflorescencias: manchas de polvo que se desprenden facilmente de la superficie al no formar una estructura con ésta.

En las imágenes siguientes se presentan a dos escalas diferentes las fotografías obtenidas por microscopía electrónica de barrido de unas eflorescencias de sulfato potásico sobre una placa de yeso. En la fotografía más ampliada (la inferior) se observan los grandes cristales aciculares de sulfato potásico formados y su disposición característica. Durante el secado de la placa de yeso, el agua debe circular a través de los poros del yeso y salir hasta la superficie exterior donde se evapora. Pero siempre existirán caminos preferentes existiendo determinados puntos de la superficie donde la cantidad de agua que sale y se evapora es mayor y en consecuencia, en esos puntos se queda mayor cantidad de sales solubles depositadas y da lugar a rosetones característicos (figura superior)

.



En la fabricación de yesos de construcción se mezclan diferentes proporciones de SH y ANH-II para conseguir diferentes grados de tiempos de fraguado (desde unos pocos minutos a algunas horas). Las escayolas están constituidas exclusivamente por SH y por ello fraguan rápidamente. A mayor proporción de ANH-II mayor tiempo de fraguado.


Al mismo tiempo se añaden diferentes tipos de aditivos:

Retardadores: para disminuir la velocidad de fraguado, como polifosfatos, hexametafosfato, proteínas degradadas, ácido cítrico, ácido tartárico, etc.

Espesantes: para incrementar la consistencias de las pastas formadas (mayor viscosidad). Se suelen utilizar éteres de almidón de patata.

Retenedores de agua: para evitar la absorción excesiva del agua que posee la pasta de yeso antes de fraguar cuando está situada en un paramento (cerámica, bovedillas,etc)

Reguladores de pH: para ajustar el pH de las pastas según los requerimientos de los aditivos. Normalmente se utiliza hidróxido cálcico.
3.3 Características



  1. FABRICACIÓN

Las figuras muestran de forma esquemática y mediante bloques el diagrama de flujo del procesado del yeso.








    1. Compartir con tus amigos:
  1   2   3


La base de datos está protegida por derechos de autor ©composi.info 2017
enviar mensaje

    Página principal