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Practica 01: Laboratorio de Cerámicos

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Practica 1: Laboratorio de Cerámicos

 

  • Objetivos

  • Marco Teórico

    • Selección de la materia prima

    • Adecuación de la materia prima

    • Moldeo

    • Secado

    • Cocción

    • Propiedades de los ladrillos y su normalización

  • Procedimiento

    • Selección de la materia prima

    • Adecuación de la materia prima

    • Moldeo

    • Secado

    • Cocción

    • Normalización

  • Presentación de resultados

  • Discusión de resultados

  • Conclusiones

  • Bibliografía

 

 

 

OBJETIVOS.

 

  • Producir en el ámbito de laboratorio un ladrillo cerámico y evaluar sus propiedades comparándolo con las normas icontec.
  • Aplicar los pasos de producción de un ladrillo cerámico.
  • Conocer las características y propiedades que deben tener los ladrillos.
  • Analizar el comportamiento de los ladrillos ante posibles eventos que serán emulados mediante ensayos de laboratorio.
  • Ver que propiedades deben tener la arcilla con las cuales se hacen los ladrillos.
  • Conocer como se deben analizar las posibles fallas de un ladrillo, mediante los resultados que arrojan los ensayos de laboratorio.

 

 



   

MARCO TEÓRICO.

 

El procedimiento que se debe seguir para la producción de un ladrillo cerámico, según lo expuesto en clase, es el siguiente:

 

 

SELECCIÓN DE LA MATERIA PRIMA:

 

La materia prima de un ladrillo es la arcilla, la cual debe tener la siguiente composición química para ser apta para un ladrillo:

 

  • Contenido de Alcalis y Acidos: menor del 0.2%. Puede causar eflorecencia con un porcentaje mayor.
  • Sustancias solubles (sales: sulfato sódico, sulfato de magnesio): menor al 0.04%. Igual al anterior produce eflorecencias con un porcentaje mayor
  • Piritas (Sulfuros de Hierro). Su exceso puede producir una deposición sulfúrica, en el momento de la cocción, ocasionando coloraciones indeseables y cuarteaduras sobre el material.
  • Contenido de Alúmina: 20% - 30%: Imparte plasticidad a la arcilla, y un exceso provoca contracciones altas en el secado.
  • Contenido de Sílice: 50% - 60%: Da baja contracción, previene el agrietamiento, imparte formas uniformes al ladrillo. Asociada con la durabilidad. Su exceso disminuye la cohesión entre partículas.
  • Oxido de Hierro: Imparte coloración rojiza a la cerámica, previene que la cal produzca la función de la arena. Su exceso produce una coloración azul oscura (generalmente no ocasiona otra molestia).
  • Cal : Debe estar dispersa (diámetro 0.2 mm) o sea cal viva más agua. Es un fúndente que permite bajar la temperatura de fusión de la sílice. Si hay un exceso puede fundir demasiado provocando agrietamiento y deformación de la pieza.
  • MgO : Imparte coloración amarilla a la cerámica. Ayuda a decrecer la deformación. Sé exceso produce deterioro por expansión de la superficie.
  • Además la arcilla debe tener un bajo contenido de material orgánico para que en el proceso de la cocción no queden espacios vacíos por el consumo de este material.

 

ADECUACIÓN DE LA MATERIA PRIMA.

  • Ajuste granulométrico: Dependiendo de la finura de la arcilla esta tendrá mayor o menor grado de plasticidad. El ajuste se hace por medios mecánicos
  • Ajuste por contracción: consiste en agregar arena o arcillas no plásticas.
  • Ajustes por humedad: Se realiza teniendo en cuenta las especificaciones dadas por los límites de atterberg.
  • Mezcla homogénea: se debe lograr una misma composición en toda la matriz ya sea por bestia, por batidora, o por otros procesos mecánicos.

 

MOLDEO

Depende del proceso de producción, ya sea con equipo de extrusión, en donde se utiliza una boquilla para impartir la forma del ladrillo, o por moldeo manual, en donde se utiliza un molde para dar la forma a la arcilla.

 

SECADO

Tiene por objeto eliminar la humedad libre y parte de la combinada por exposición al ambiente, lo cual se hace así por costos, velocidad de contracción, lo que nos da una mejor calidad.

 

COCCIÓN

Proceso mediante el cual se somete al fuego la arcilla moldeada y seca, para producir una sinterización intensa de la arcilla, y una vitrificación adecuada.

 

Estos procesos de cocción se deben llevar a cabo manejando una curva de temperaturas de la cual dependerán varias de las características del ladrillo, ya que si es mal manejada esta curva pueden haber problemas con el ladrillo, por ejemplo la generación de esfuerzos residuales en el ladrillo, produciendo agrietamientos. La curva de temperaturas estándar esta presentada en la siguiente pagina.

 

PROPIEDADES DE LOS LADRILLOS Y SU NORMALIZACIÓN.

 

Existen unas normas para normalizar los ensayos que se hacen al ladrillo, la norma icontec 451.

 

La normalización de los ladrillos consiste en producir unos datos estándares para poder compararlos con otros ladrillos, y así poder clasificarlos en tres clases de tipos, Tipo I, Tipo II, Tipo III. El Código Colombiano de construcciones sismo resistente, en la parte de mampostería estructural, se refiere a estas normas, afirmando que para hacer esta clase de mampostería, se deben cumplir las mencionadas normas. Más adelante veremos como se hacen estas pruebas.
 

 


 

PROCEDIMIENTO

 

 

Teniendo en cuenta el proceso de producción dado en el marco teórico, podemos afirmar que el proceso por nosotros seguido fue algo más empírico, más sin embargo más cerca de la teoría de lo que se hace realmente en una ladrillera, en donde el ladrillo es cocido en un horno árabe, y es difícil manejar una curva de temperaturas. A continuación se hará una descripción del proceso que se siguió:

 

SELECCIÓN DE LA MATERIA PRIMA:

En el momento de escoger la arcilla tuvimos en cuenta aspectos como su color y textura, se pudo escoger entre varios estratos de tierra que se diferenciaban en un hueco. A nuestro parecer la arcilla que mejores condiciones presento fue la del tercer estrato, ya que esta fué la de mayor plasticidad, consistencia, homogeneidad y moldeo al adicionarle agua, a pesar de parecer un poco arenosa, lo cual nos dimos cuenta luego que no era cierto.

 

ADECUACIÓN DE LA MATERIA PRIMA:

Se realizó principalmente un gran ajuste granulométrico debido al gran número de partículas grandes, que componía la arcilla. Este ajuste se hizo en dos tipos de molino, para así alcanzar la mayor finura posible, y poder tener una mayor homogeneidad en el amasado.

 

MOLDEO

Ya con una arcilla de granulometría adecuada, procedimos a agregarle agua hasta que alcanzara su estado plástico. Esto lo pudimos conocer mediante una prueba que consiste en moldear una muestra de la matriz, dándole forma esférica. Cuando al aplastar esta muestra no se presentan fisuras en su contorno, la mezcla estará lista para continuar el proceso

Simultáneamente se aceitaban las caras internas de los moldes para lograr una mínima adhesión entre la arcilla y el molde.

La arcilla se introdujo al molde aplicándole presión de forma tal que ocupara cada uno de los espacios vacíos del molde para que no quedara en capas dentro del molde. Esta presión se hizo con los dedos.

 

SECADO

Ya con la arcilla dentro del molde, esta se expuso al medio ambiente (en una parte seca), durante 14 días, durante las cuales se eliminó el mayor porcentaje posible de humedad libre quedando menos del diez por ciento de está humedad debido al largo tiempo de exposición. Como consecuencia de esta exposición se presentó contracciones.

 

COCCIÓN

La cocción se lleva a cabo de acuerdo a la siguiente tabla, en donde sé vario la relación temperatura tiempo, debido al largo tiempo de secado. La curva de temperatura utilizada se muestra en la siguiente pagina.

 

NORMALIZACIÓN

Se le hicieron varias pruebas a los ladrillos para compararla con las normas estándares del mercado, icontec.

 

Una de ellas fue el ensayo a compresión, para lo cual tomamos el ladrillo con dimensiones más uniformes y lo sometimos a presión uniforme sobre la cara de mayor área, por medio de un equipo de compresión el cual mide la fuerza ejercida sobre la pieza, en libras. Sometimos el ladrillo hasta su rotura y la fuerza hallada se dividió entre el área para hallar el esfuerzo en el cual ocurre la rotura, quedando así normalizado a compresión.

 

Un segundo ensayo fue el de densidad real y densidad aparente por medio del cual se mido la porosidad. Para hallar la densidad real se tomo una muestra pulverizada del material que quedo después del ensayo mencionado anteriormente. Esta muestra se pesa y posteriormente se sumerge en una probeta con un volumen de agua establecido para así establecer el volumen del material a través del desplazamiento de la superficie de agua.

Para hallar la densidad aparente se sigue dos métodos denominados peso suelto y peso compactado. Peso suelto: Se toma un recipiente del cual se conoce su volumen y su peso. Poniendo dentro de este una muestra del material pulverizado de manera que quedo lleno el recipiente, luego se peso, y así hallamos el peso y el volumen de la muestra, con lo cual se encuentra la densidad. Peso compactado: Se repite el procedimiento anterior, con la única diferencia que al echar la muestra al recipiente, se le hace una fuerza para que quede compactado.

 

Un último ensayo fue el de absorción de humedad, el cual se hizo así: Se procedió a meter los ladrillos al horno 24 horas, cerca de los 150 grados centígrados, para eliminar completamente la humedad, luego se hallo su peso cuando estaban secos, y se sumergieron en agua otras 24 horas, hasta el punto de saturación. Cuando se sacaron, se secan superficialmente y se pesan nuevamente. Con estos datos se halla el porcentaje de absorción.

 

Los resultados de estos ensayos serán expuestos en la sección llamada Presentación de Resultados.

 

 

PRESENTACIÓN DE RESULTADOS

 

Después del proceso del moldeo y del secado obtuvimos unas contracciones del ladrillo, las medidas de los ladrillos en el molde fueron de cuatro centímetros de ancho, cuatro centímetros de alto, y ocho centímetros de largo, luego del secado tenemos que:

Ladrillo        Alto       Ancho        Largo
   1            3.8         3.8          7.6
   2            3.9         3.9          7.8
   3            3.9         3.8          7.7
   4            3.8         3.8          7.7
   5            3.7         3.7          7.7
   6            3.8         3.9          7.7

Teniendo los siguientes promedios: 3.82 cms de Alto; 3.82 cms de Ancho; 7.7cms de largo. Teniendo en promedio una contracción de 0.19cms de alto; 0.19cms de ancho; 0.30cms de largo. Por lo tanto tenemos un cambio volumétrico de: 128cm3 a 112.36cm3, es decir que su volumen se redujo en un 12.21 por ciento. Una de las observaciones importantes que pudimos realizar fué que después del proceso de la cocción, así se sature de nuevo el ladrillo con agua, sus dimensiones no cambian considerablemente, observando que las propiedades mecánicas de la arcilla cambian con el proceso de la sinterización.

 

Después de 14 días de haber sido moldeados los ladrillos los sometimos al proceso de cocción, ya que había liberado la mayoría de agua libre y tenían un cambio volumétrico despreciable con el paso del tiempo.

 

Por haber tenido tanto tiempo en el proceso de secado, ya que normalmente es de dos a tres días, y por razones de tipo práctico, se cambió la curva de temperatura de cocción, reduciendo los tiempos de las temperaturas de 100 grados centígrados y 150 grados centígrados de 6 y 4 horas respectivamente a una hora cada una, y tratando de dejar las temperaturas de 400 grados y 750 grados centígrados lo más largas posibles (3.5 horas cada una), ya que en estas regiones se garantiza que no hay agua ligada y se eliminan las tensiones residuales producidas en el moldeo. La temperatura de techo no sé varia, ya que en esta parte se produce la sinterización de la sílice. La temperatura de techo fue de 900 grados centígrados, la cual tuvo una duración de 24 horas.

 

Después del proceso de cocción los ladrillos redujeron muy poco sus dimensiones, siendo despreciable.

El ensayo a compresión que se realizo por medio de una máquina, la cual mide la fuerza que se le hace al ladrillo hasta su rotura, nos arroja los siguientes resultados:

Ladrillo        Área (cms2)      Fuerza (Lbs)      Esfuerzo (Kg/Cm2)
   1               25.9            6500              113.84
   2               28.12           6600              106.46
   3               28.88           8100              127.22

Entonces el promedio de esfuerzo a compresión es de 115.84ÿKg/cm2. En esta parte observamos que los ladrillos sometidos a un esfuerzo de compresión fallan en medio de las caras de los dos prismas triangulares que lo componen, lo que nos indica que el material es poco resistente a esfuerzos cortantes. También nos dimos cuenta que en este ensayo es necesario que el ladrillo no tenga deformaciones, para que de esta manera sea fácil medir su área, y el esfuerzo a compresión sea igual en todas las secciones del ladrillo.

 

El promedio de las resistencias a compresión nos dio dentro del tipo III, ya que este tipo da de 60 Kg/cm2 a 150 kg/cm2.

Luego se hizo el ensayo de porosidad, el cual nos dio un resultado de 13.44 por ciento, teniendo en cuenta que la densidad aparente es de 0.18 gr/cm3, y la densidad real de 2.66 gr/cm3.

 

El ensayo de absorción nos arroja los siguientes resultados:

Ladrillo        Peso seco (gr.)   Peso mojado (gr.)       Absorción
   1                198              234.2                18.28%
   2                192              228.6                19.06%

Por lo tanto el promedio de este porcentaje de absorción es de 18.67 por ciento, quedando dentro del tipo III en la norma icontec 451.

Adicionalmente realizamos el ensayo a flexión de una unidad, teniendo en cuenta que el momento de inercia es 17.38cm4, que z= 1.9cms, que la luz entre los apoyos fue de 6.7 cms, produciendo un momento de 243.13 Kg cm al aplicarse la carga de rotura. Entonces como la rotura se obtuvo a 320 lb, es decir 145.152 Kg lo que nos da una resistencia a la flexión de 26.58 Kg/cm2, según el procedimiento de la norma icontec 451, quedando dentro del tipo III nuevamente el ladrillo.

 

 

 


DISCUSIÓN DE RESULTADOS.

 

 

Los resultados indican que la cantidad de arena en la arcilla fue poca, teniendo entonces una arcilla plástica, la cual requiere mucha agua para el amasado, provocando las altas contracciones en el secado (Eliminación de Humedad libre).

El hecho de tener un contenido adecuado de arena hace que el ladrillo cocido tenga un alto grado de porosidad, lo cual provoca altas absorciones al saturarse con agua, que fue lo obtenido.

 

Esta falta de arena genera una sinterización baja, debido al bajo contenido de sílice, que es él fúndente de las partículas en la cocción. Esto genero bajas resistencias a compresión y flexión, quedando entonces el ladrillo de tipo III.

Esta arcilla podrá dar mejores resultados si se hace el ensayo de Casablanca, para hallar los límites de attemberg y bajar su punto de plasticidad, aumentando el contenido de arena, lo cual se da mejor manejabilidad a la arcilla sin adicionarle agua en exceso, siendo menores las contracciones.

Para disminuir la absorción del ladrillo se puede hacer una vitrificación adicionándole cloruro de sodio disuelto en agua, y derramándolo como fúndente cuando el horno este caliente.

 

La curva de temperatura cambio, reduciendo los tiempos de temperaturas bajas por el tiempo de secado al medio ambiente, lo que generó disminuir al mínimo el contenido de humedad libre.

 

Si el tiempo de secado hubiera sido menor que el que se tuvo, y se hubiera hecho la cocción del ladrillo con mayor humedad, se hubieran conseguido algunas grietas, debido a que la velocidad de secado de los ladrillos sería más grande, agrandando la velocidad de contracción. Entonces mientras más plástica sea la arcilla, necesitará menores velocidades de secado.


 

 


CONCLUSIONES

 

Se debe tener en cuenta que al hacer un proceso de cocción de un ladrillo, se le están cambiando las propiedades a la arcilla, teniendo que se debe manejar de forma diferente antes de la cocción y después de esta. Este cambio es debido a la sinterización. Pudimos apreciar este fenómeno por el cambio de dimensiones al saturarse con agua antes y después de la cocción.

 

Los ladrillos que se ensayaron a compresión, se rompieron con un ángulo de cuarenta y cinco grados por medio de la unión de las dos caras de los prismas triangulares que componen el ladrillo, lo que nos indica que la arcilla tiene muy poca resistencia a la cortante.

El proceso de la producción de un ladrillo se puede variar y conseguir resultados parecidos, esto lo pudimos observar al cambiar la curva de temperaturas, acortando algunos tiempos, debido al gran tiempo de secado.

 

Hay que destacar la importancia de los límites de attemberg y el ensayo de casa blanca, ya que por medio de estos ensayos podemos optimizar los resultados que se pueden obtener de un tipo de arcilla. Este laboratorio es vivo ejemplo de esto, ya que si se hubieran hecho estos ensayos y se hubiera adicionado arena, se tendrían mejores resultados con la misma arcilla.

 

 

BIBLIOGRAFÍA

  • Código Colombiano de Construcciones Sismo Resistentes
  • Normas icontec para la construcción (norma 451)

 

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