Hormigones refractarios

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El mercado ofrece una gran variedad de hormigones refractarios de características físicas y químicas muy diversas para cumplir funciones muy diferenciadas

Introducción

El campo de los hormigones refractarios ha experimentado en los últimos tiempos un auge espectacular sustituyendo aquéllos, en muchos casos, a las piezas conformadas, en muy diversas aplicaciones.

Es posible hoy en día encontrar en el mercado un número muy elevado de hormigones refractarios de características realmente diversas y que cumplen funciones bien diferenciadas. Así, existen hormigones refractarios antiácidos, y antiabrasivos convencionales y de bajo o muy bajo contenido en cemento, de alta resistencia mecánica y aislantes, hormigones diseñados para soportar ataques químicos especiales, etc. Y así una amplia gama de materiales que cumplen, bajo diversos requerimientos, un aceptable papel.

Con el fin de clarificar conceptos, procederé seguidamente a detallar y explicar algunas de las características principales de los hormigones refractarios, conocimientos básicos pero a veces confusos y poco clarificados

¿Qué es el hormigón refractario?

Los materiales refractarios no conformados u hormigones refractarios son mezclas formadas por materias primas, aditivos y agentes ligantes. Normalmente se aplican según se entregan, como en el caso de los hormigones plásticos o bien necesitan preparación previa, mediante la adición de líquido (agua u otro) y posterior mezclado.

Un hormigón refractario está conformado, por lo tanto, por cuatro componentes que son: arcillas, aditivos, áridos y cemento aluminoso. Ya veremos que este último puede llegar a estar presente en cantidades realmente ínfimas.

Los revestimientos formados únicamente por hormigones refractarios, es decir, aquellos en los que no está presente ningún tipo de material previamente conformado y cocido, se denominan monolíticos.

Características

Conviene apuntar dos aspectos importantes que son relevantes a la hora de encargar hormigones y que suelen dar lugar a confusión.

Tamaño máximo del grAano: es la anchura máxima de la malla de un tamiz a través del cual cae al menos el 95% del material. Se determina según norma PRE/R25. Se debe tener en cuenta que un grano demasiado grueso o demasiado fino da lugar a un caída espectacular en la calidad del hormigón.

Material requerido: es la cantidad en kilogramos o tm necesaria para rellenar 1 dm3 o 1 m3. No se debe confundir la cantidad de material requerida con la densidad del material.

Aglomeración o enlace

Existen diversas formas de aglomeración o de enlace de acuerdo con la norma ISO 1927 y UNE – ENV- 1402-1


  1. Aglomeración o enlace cerámico
  2. Aglomeración o enlace hidráulico
  3. Aglomeración o enlace químico (inorgánico u orgánico-inorgánico)
  4. Aglomeración o enlace orgánico

Como aglutinante se emplea cemento de granulometría fina. En muchas ocasiones, varios de los enlaces están presentes conjuntamente y se suele considerar como preponderante aquel que interviene en mayor grado.

Básicamente podemos decir que en general un hormigón refractario, al contrario de un hormigón de obra civil, presenta dos endurecimientos. El primero de ellos ocurre tras el fraguado. El segundo y mucho más importante, con el cual el hormigón alcanza su dureza teórica definitiva, ocurre tras alcanzar una determinada temperatura. A este proceso se le denomina sinterizado.

Aglomeración cerámica

La aglomeración y endurecimiento se produce por reacción química, al llegar a cierta temperatura. Dependiendo del tipo de hormigón, la temperatura a la cual sucede, varía.

Aglomeración hidráulica

Los hormigones de aglomeración hidráulica contienen entre un 15% y un 25% de agentes aglutinantes.

El endurecimiento comienza a temperatura ambiente y aumenta hasta unos 500 ºC / 600 ºC. A partir de dicha temperatura, la resistencia mecánica disminuye hasta alcanzar los 1.000 ºC, temperatura en que comienza de nuevo a aumentAar la resistencia. Los tipos de cementos aglomerantes más usados son el cemento Portland, el electrofundido y el aluminoso.

Aglomeración química

Estos hormigones contienen varios tipos de componentes químicos, como son el ácido fosfórico, silicato sódico y sulfato magnésico. Además, suelen tener algún tipo de endurecedor a temperatura ambiente.

Aglomeración orgánica

Existen ciertos tipos de productos orgánicos, como son los derivados de la celulosa, que producen un endurecimiento a partir de los 50 ºC. Se emplean normalmente para producir un primer endurecimiento a baja temperatura.

Áridos

Existen infinidad de áridos, mediante los cuales, dependiendo de las características necesarias de uso, se pueden fabricar todo tipo de hormigones. Podemos enumerar los más usados y su temperatura de utilización:

Chamota aluminosa 40/45% Al2O3 1.200 / 1.300 ºC

Silimanita, cianita 1.500 / 1.550 ºC

Carburo de silicio 1.600 / 1.700 ºC

Chamota, corindón 1.600 / 1.750 ºC

Alúmina tubular 1.800 ºC

Estas mezclas determinan la gran cantidad de tipos de hormigones refractarios existentes hoy en día.

Hormigones aluminosos 30-40% Al2O3

Hormigones alta alúmina >56-60% Al2O3

Hormigones silico-aluminosos 1030% Al2O3 > 85% SiO2

Hormigones de bajo contenido en hierro <1,5% Fe2O3

Hormigones de bajo contenido en cal <1,5% CaO

Hormigones de alto contenido en sílice >85% SiO2

Hormigones de carburo de silicio

Hormigones de alto contenido en car-bono

Dependiendo de los áridos empleados se puede, evidentemente, variar las características del material. Por ejemplo, empleando alúmina tubular se mejora la resistencia a la temperatura. Con andalucita se mejora la resistencia al choque térmico; y con bauxita, la resistencia a Ala compresión.

Clases de hormigones refractarios

Se denomina hormigón denso a un hormigón cuya densidad sea mayor que 1,3 kg/dm3. La industria del refractario distingue cuatro clases fundamentales que son las siguientes:


  1. MCC: medium cement castable u hormigón de contenido medio en cemento. Este hormigón presenta un contenido de CaO mayor de 2,5%. Es el denominado hormigón convencional.
  2. LCC: low cement castable u hormigón de contenido bajo en cemento. Este hormigón presenta un contenido de CaO comprendido entre un mínimo de 1% y un máximo de 2,5%. Este hormigón y los siguientes se denominan también tixotrópicos.
  3. ULCC: ultra low cemente castable u hormigón de contenido ultrabajo en cemento. Este hormigón presenta un contenido de CaO comprendido entre un mínimo de 0,2% y un máximo de 1%.
  4. NCC: no cement castable. Este hormigón presenta un contenido de CaO menor o igual a 0,2%.

Cada una de estas clases de hormigones tiene una aplicación específica y un empleo concreto. Se debe tener en cuenta que existe una enorme variedad de calidades dentro de cada grupo, dependiendo de los aditivos, materias primas etc.

Se debe destacar que los hormigones de la clase NCC no se mezclan con agua sino con ácido fosfórico.

Acelerantes, retardantes y defloculantes

Desde el punto de vista de la trabajabilidad y de cara únicamente a su instalación, en ciertas aplicaciones es necesario emplear determinados aditivos para mejorar las características del hormigón.

Los acelerantes son aditivos empleados para aumentar el tiempo de fraguado del hormigón. Se emplean cuando existe la necesidad imperiosa de desencofrar rápidamente o bien cuando las temperaturas frías ralentizan el fraguado. El aditivo más empleado es el cemento blanco.

Los retardantes realizan el efecto contrario, es decir, alargan el tiempo de fraguado punto importante en aquellas zonas de la obra que por sus características especiales necesitan mayor tiempo o bien cuando las altas temperaturas aceleAran el proceso.

Los defloculantes son agentes químicos que reducen la cantidad de agua que se debe emplear en el mezclado.

Hormigones reforzados

La idea proviene del mundo de la obra civil. Las fibras metálicas son pequeñas agujas metálicas que se emplean mezcladas con hormigones refractarios a fin de aumentar ciertas propiedades de éstos, especialmente la resistencia a esfuerzos bruscos. En efecto, los ciclos rápidos, choques térmicos, impactos mecánicos o incluso las vibraciones del proceso o de la instalación pueden producir grietas y fisuras. Seguidamente analizaremos las propiedades de los hormigones refractarios reforzados con fibras metálicas.

Definiremos el hormigón refractario reforzado con fibras metálicas como un hormigón refractario que contiene mezcladas en determinada proporción agujas metálicas.

Las fibras de acero, base de las agujas, se fabrican en determinadas calidades, siendo las más empleadas la calidad 18/8 o acero inoxidable AISI304 y la calidad 25/20 o acero inoxidable o AISI310. El acero inoxidable resiste temperaturas de hasta 750 ºC. A partir de ahí, la oxidación aumenta rápidamente al tiempo que disminuye drásticamente la resistencia mecánica. Hacia los 650 ºC sufre una serie de cambios y de precipitación de carburos en la periferia de los granos, lo cual siempre se debe tener en cuenta.

La utilización de una determinada calidad vendrá dada básicamente por la temperatura de empleo y por el tipo de atmósfera que, en definitiva, marcan la resistencia a la corrosión en caliente y la resistencia mecánica del acero.

Tipos de fibras metálicas

Existen diferentes presentaciones dependiendo fundamentalmente del sistema de fabricación. Los principales sistemas son los siguientes:


  1. Corte de alambre
  2. Cizallado de chapas de acero
  3. Cepillado de chapas de acero
  4. Baño de metal

Cada fibra, según su sistema de obtención, tiene diferentes características. De cualquier forma, la más empleada de todas fisuras. Seguidamente analizaremos las es la obtenida por corte de alambre.

Estas fibras suelen tener un diámetro que oscila entre 0,1 y 0,4 mm y una longitud entre 15 y 30 mm. Aunque suelen ser rectas, también existen de forma especial. También se manufacturan fibras de textura rugosa y perfil irregular que per-mite una perfecta unión con el refractario.

La relación de forma es la relación existente entre la longitud de la fibra y su diámetro. La experiencia ha demostrado que la mejor relación es la que oscila entre un mínimo de 50 y un máximo de 100.

Mezclado

El porcentaje de fibras empleado normalmente suele ser el 2% o 3% en peso lo que equivale para la mayoría de las masas a un 1% en volumen. A mayor porcentaje de fibras, la fluidez del hormigón disminuye proporcionalmente llegándose a hacer muy difícil o incluso imposible su amasado en la mezcladora, incluso siendo ésta una máquina especial para hormigones refractarios, es decir, del tipo planetaria.

Existen, sin embargo, determinados materiales formados por una mezcla de hasta el 50% de agujas. En realidad, estos materiales pueden considerarse más bien como materiales metálicos con infiltraciones de hormigón.

Con porcentajes altos la mezcla se apelmaza y forma bolas. Un error muy corriente es añadir más agua a la mezcla cuando esto ocurre, ya que hace que el hormigón pierda totalmente sus características. De cualquiAer forma, hay que tener en cuenta que las fibras son maleables, con lo cual en proporciones no muy altas el mezclado no es complicado.

Vibrado y gunitado

Se debe tener en cuenta que aumenta la dificultad del vibrado a medida que aumenta la proporción de fibras metálicas. Las fibras se orientan en sentido paralelo a los moldes y en sentido paralelo al de la vibración.

Las fibras también se pueden emplear para la utilización en hormigones gunitables. Ahora bien, a efectos de costes, se debe tener en cuenta la erosión producida en los equipos de gunitado, ya que tanto los discos de goma como los metálicos y las propias mangueras sufren enormemente el desgaste producido por las agujas.

Propiedades y ventajas del hormigón reforzado

Aumenta la resistencia mecánica al aumentar la resistencia a la compresión en frío. Se ha comprobado que con un 2%, la resistencia mecánica se duplica, y con un 4% se triplica. Ahora bien, este efecto tiene lugar hasta unos 1.000 ºC aproximadamente. A partir de ahí, disminuye por el efecto de la oxidación de la fibra.

Aumenta la resistencia al desconche debido a que las fibras paran la propagación de las fisuras y grietas (figura 1). Asimismo, se ha comprobado experimentalmente que las fibras aumentan la resistencia al choque térmico.

Masas apisonables

Son hormigones que se suministran listos para usar. La forma de presentación son bloques o pastillas que se instalan por apisonado mediante martillo neumático.

Son los materiales refractarios más antiguos empleados para revestimientos monolíticos. Fueron desarrollados en el transcurso de la I Guerra Mundial en EE UU para su empleo en las calderas de vapor de los navíos de combate de la marina norteamericana, evitando así la necesidad de almacenamiento de un número muy elevado de piezas de forma.

Hormigones gunitables

Son hormigones a los que se les añade un 2% en peso de cierta Aarcilla plástica denominada bentonita.

El hormigón así preparado se proyecta en seco o ligeramente prehumedecido mediante una máquina especial (gunitadora). La bentonita provee de una cierta plasticidad, lo cual hace que la masa quede instalada en la zona a revestir.

Secado, calentamiento y curado de hormigones refractarios

Al contrario de los materiales conformados, los hormigones refractarios presentan el gran inconveniente de que es necesario aplicar un proceso de secado del revestimiento previamente a su puesta en marcha. Este proceso sirve para eliminar el agua residual (de hecho el hormigón se comporta como una pequeña caldera) previamente a que el revestimiento alcance su temperatura de servicio.

Este proceso es fundamental y de no llevarlo a cabo convenientemente el revestimiento puede explosionar y, por lo tanto, producir la destrucción no sólo del mismo revestimiento sino, por ende, de toda la unidad revestida.

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