Cal (material)

La cal es un material inorgánico compuesto principalmente de óxidos e hidróxidos de calcio . También es el nombre del óxido de calcio que se produce como producto de los incendios de vetas de carbón y en xenolitos de piedra caliza alterados en eyecciones volcánicas. ^[1] La Asociación Mineralógica Internacional reconoce a la cal como un mineral con la fórmula química de CaO. ^[2] La palabra cal se origina con su uso más temprano como mortero de construcción y tiene el sentido de pegar o adherir . ^[3]

Estos materiales todavía se utilizan en grandes cantidades como materiales de construcción e ingeniería (incluidos productos de piedra caliza, cemento , hormigón y mortero ), como materias primas químicas, para refinar azúcar y otros usos. Las industrias de la cal y el uso de muchos de los productos resultantes datan de tiempos prehistóricos tanto en el Viejo Mundo como en el Nuevo Mundo. ^{[ cita requerida ]} La cal se utiliza ampliamente para el tratamiento de aguas residuales con sulfato ferroso .

Las rocas y minerales de los que se derivan estos materiales, típicamente piedra caliza o tiza , están compuestos principalmente de carbonato de calcio . Pueden cortarse, triturarse o pulverizarse y alterarse químicamente. La quema ( calcinación ) del carbonato de calcio en un horno de cal por encima de los 900 °C (1650 °F) ^[4] lo convierte en el material altamente cáustico cal quemada , cal viva o cal viva ( óxido de calcio ) y, mediante la posterior adición de agua, en la cal apagada o cal hidratada ( hidróxido de calcio , Ca(OH) ₂ ), menos cáustica (pero todavía fuertemente alcalina ) , cuyo proceso se denomina apagado de la cal .

Cuando el término se utiliza en un contexto agrícola, normalmente se refiere a cal agrícola , que hoy en día suele ser caliza triturada, no un producto de un horno de cal. De lo contrario, lo más común es que se refiera a cal apagada , ya que la forma más peligrosa suele describirse de manera más específica como cal viva o cal quemada .

En la industria de la cal, la caliza es un término general para las rocas que contienen 80% o más de carbonato de calcio o magnesio , incluyendo mármol , tiza , oolita y marga . La clasificación adicional se realiza por composición como alto contenido de calcio, arcilloso , silíceo , conglomerado , magnésico , dolomita y otras calizas . ^[5] Las fuentes poco comunes de cal incluyen coral, conchas marinas, calcita y ankerita .

La piedra caliza se extrae de canteras o minas . Una parte de la piedra extraída, seleccionada según su composición química y granulometría óptica , se calcina a unos 900 °C (1.650 °F) en hornos de cal para producir cal viva según la reacción: ^[6]

${\displaystyle {\ce {{\overset {calcio~carbonato}{CaCO3}}->[][{\text{calor}}]{\overset {calcio~óxido}{CaO}}+{\overset {carbonato ~dióxido}{CO2}}}}}$

Antes de su uso, la cal viva se hidrata , es decir se combina con agua, lo que se denomina apagado, por lo que la cal hidratada también se conoce como cal apagada , y se produce según la reacción:

${\displaystyle {\ce {{CaO}+{\overset {agua}{H2O}}->{\overset {calcio~hidróxido}{Ca(OH)2}}}}}$

El apagado en seco consiste en apagar la cal viva con la cantidad justa de agua para hidratarla, pero para mantenerla en forma de polvo; se denomina cal hidratada. En el apagado en húmedo , se agrega un ligero exceso de agua para hidratar la cal viva hasta obtener una forma denominada masilla de cal.

Debido a que la cal tiene propiedades adhesivas con los ladrillos y las piedras, se utiliza a menudo como mortero aglutinante en obras de albañilería. También se utiliza en el encalado como revestimiento de paredes para permitir que la cal se adhiera a la pared.

El proceso por el cual la piedra caliza (carbonato de calcio) se convierte en cal viva por calentamiento, luego en cal apagada por hidratación y naturalmente se convierte en carbonato de calcio por carbonatación se llama ciclo de la cal . ^[7] Las condiciones y los compuestos presentes durante cada paso del ciclo de la cal tienen una fuerte influencia en el producto final, ^[8] de ahí la naturaleza física compleja y variada de los productos de cal.

Un ejemplo es cuando se mezcla cal apagada (hidróxido de calcio) en una lechada espesa con arena y agua para formar mortero para fines de construcción. Una vez colocada la mampostería, la cal apagada en el mortero comienza a reaccionar lentamente con el dióxido de carbono para formar carbonato de calcio (caliza) de acuerdo con la reacción:

Ca(OH) ₂ + CO ₂ → CaCO ₃ + H ₂ O.

El dióxido de carbono que participa en esta reacción está disponible principalmente en el aire o disuelto en el agua de lluvia ^[9], por lo que el mortero de cal pura no se recarbonatará bajo el agua o dentro de una pared de mampostería gruesa.

El ciclo de la cal para la cal dolomítica y magnésica no se entiende bien ^[8] pero es más complejo porque los compuestos de magnesio también se apagan para formar periclasa , que se apaga más lentamente que el óxido de calcio y cuando se hidrata produce varios otros compuestos. Por lo tanto, estas cales contienen inclusiones de portlandita , brucita , magnesita y otros compuestos de hidroxicarbonato de magnesio. Estos compuestos de magnesio tienen una investigación muy limitada y contradictoria que cuestiona si "... pueden ser significativamente reactivos con la lluvia ácida, lo que podría conducir a la formación de sales de sulfato de magnesio". ^[10] Las sales de sulfato de magnesio pueden dañar el mortero cuando se secan y recristalizan debido a la expansión de los cristales a medida que se forman, lo que se conoce como ataque de sulfato .

La cal utilizada en los materiales de construcción se clasifica ampliamente como cal "pura", "hidráulica" y "pobre"; ^[11] puede ser natural o artificial ; y puede identificarse además por su contenido de magnesio, como cal dolomítica o magnésica. Los usos incluyen mortero de cal , yeso de cal , revoque de cal , pisos de cal y ceniza , hormigón atigrado , cal , pintura mineral de silicato y bloques de piedra caliza que pueden ser de muchos tipos . Las cualidades de los muchos tipos de cal procesada afectan la forma en que se utilizan. Los romanos usaban dos tipos de mortero de cal para hacer hormigón romano , lo que les permitió revolucionar la arquitectura, a veces llamada la revolución del hormigón .

La cal tiene muchas cualidades complejas como producto de construcción, entre ellas la trabajabilidad, que incluye la cohesión, la adhesión, el contenido de aire, el contenido de agua, la forma del cristal, la vida útil del tablero, la capacidad de esparcirse y la fluidez; la fuerza de unión; la resistencia integral; el tiempo de fraguado; la capacidad de transporte de arena; la hidraulicidad; el contenido de cal libre; la permeabilidad al vapor; la flexibilidad; y la resistencia a los sulfatos. Estas cualidades se ven afectadas por muchos factores durante cada paso de la fabricación e instalación, incluidos los ingredientes originales de la fuente de cal; los ingredientes añadidos antes y durante la cocción, incluida la inclusión de compuestos del escape del combustible; la temperatura y la duración de la cocción; el método de apagado, incluida una mezcla caliente (cal viva añadida a la arena y al agua para hacer mortero), el apagado en seco y el apagado en húmedo; la proporción de la mezcla con los áridos y el agua; los tamaños y tipos de áridos; los contaminantes en el agua de mezcla; la mano de obra; y la velocidad de secado durante el curado. ^[12]

La cal pura también se conoce como cal rica, común, aérea, apagada, blanda, decapada, hidratada y con alto contenido de calcio. Se compone principalmente de hidróxido de calcio que se obtiene apagando la cal viva (óxido de calcio) y puede contener hasta un 5% de otros ingredientes. La cal pura fragua muy lentamente a través del contacto con el dióxido de carbono en el aire y la humedad; no es una cal hidráulica, por lo que no fraguará bajo el agua. La cal pura es blanca pura y se puede utilizar para encalado, yeso y mortero. La cal pura es soluble en agua que contiene ácido carbónico , un ácido natural débil que es una solución de dióxido de carbono en agua y lluvia ácida , por lo que se lavará lentamente, pero esta característica también produce un proceso autógeno o de autocuración donde la cal disuelta puede fluir hacia las grietas del material y redepositarse, reparando automáticamente la grieta.

La cal semihidráulica, también llamada cal parcialmente hidráulica y cal gris, fragua inicialmente con agua y luego continúa fraguando con aire. Esta cal es similar a la cal hidráulica pero tiene menos sílice soluble (generalmente un mínimo del 6 %) y aluminatos , y fragua bajo el agua pero nunca se endurece. ^[13]

La cal hidráulica también se llama cal de agua . La cal hidráulica contiene cal con sílice o alúmina y fragua con la exposición al agua y puede fraguar bajo el agua. ^[14] La cal hidráulica natural (NHL) está hecha de una piedra caliza que naturalmente contiene algo de arcilla . La cal hidráulica artificial se fabrica agregando formas de sílice o alúmina como arcilla a la piedra caliza durante la cocción, o agregando una puzolana a la cal pura. ^[13] Las cales hidráulicas se clasifican por su fuerza: cal débilmente , moderadamente y eminentemente hidráulica. La cal débilmente hidráulica contiene entre un 5 y un 10 % de arcilla, se apaga en minutos y fragua en aproximadamente tres semanas. Se utiliza para trabajos menos costosos y en climas templados. La cal moderadamente hidráulica contiene entre un 11 y un 20 % de arcilla, se apaga en una o dos horas y fragua en aproximadamente una semana. Se utiliza para trabajos de mejor calidad y paredes exteriores en climas helados. La cal eminentemente hidráulica contiene entre un 21 y un 30 % de arcilla, se apaga muy lentamente y fragua en aproximadamente un día. Se utiliza en entornos hostiles, como lugares húmedos y cerca de agua salada. La cal hidráulica es de color blanquecino. "El grado de hidraulicidad de los morteros afectará a muchas características. Al seleccionar una proporción adecuada de arcilla y piedra caliza, los morteros que carbonatan o fraguan hidráulicamente en distintos grados pueden diseñarse para requisitos de aplicación particulares, como tiempo de fraguado, resistencia, color, durabilidad, resistencia a las heladas, trabajabilidad, velocidad de fraguado en presencia de agua, permeabilidad al vapor, etc." ^[14]

La cal pobre también se conoce como cal pobre o magra. La cal pobre fragua y cura muy lentamente y tiene una unión débil. La cal pobre es de color gris.

La cal magnésica contiene más de un 5% de óxido de magnesio (BS 6100) o entre un 5 y un 35% de carbonato de magnesio (ASTM C 59-91). ^{[15] La cal} dolomítica tiene un alto contenido de magnesio, entre un 35 y un 46% de carbonato de magnesio (ASTM C 59-91). ^[15] La cal dolomítica recibe su nombre de las montañas Dolomitas en los Alpes italianos y austríacos. ^[16]

En los Estados Unidos, la cal de mampostería más comúnmente utilizada es la cal hidratada Tipo S, que se utiliza para agregar al cemento Portland para mejorar la plasticidad , la retención de agua y otras cualidades. La S en el tipo S significa especial, lo que la distingue de la cal hidratada Tipo N, donde la N significa normal. Los atributos especiales del Tipo S son su "...capacidad para desarrollar una plasticidad alta y temprana y una mayor capacidad de retención de agua y una limitación en su contenido de óxido no hidratado". ^[17] El término Tipo S se originó en 1946 en ASTM C 207 Cal hidratada para fines de mampostería. La cal Tipo S es casi siempre cal dolomítica, hidratada bajo calor y presión en un autoclave, y se usa en mortero, revoque , estuco y yeso . La cal Tipo S no se considera confiable como un aglutinante puro en mortero debido a las altas temperaturas de combustión durante la producción.

Cal Kankar , una cal hecha de kankar, que es una forma de carbonato de calcio.

La cal selenítica, también conocida como cemento de Scotts en honor a Henry Young Darracott Scott , es un cemento de tiza gris o cal similar, como en el Grupo Lias , con aproximadamente un 5% de yeso agregado ( yeso calcinado ). ^[13] La selenita es un tipo de yeso, pero el cemento selenítico se puede hacer usando cualquier forma de sulfato o ácido sulfúrico . ^[18] El sulfato detiene el apagado, hace que el cemento fragüe rápidamente y sea más fuerte.

Los romanos fabricaban hormigón mezclando cal y ceniza volcánica para crear una reacción puzolánica . Cuando esto se mezclaba con toba volcánica y se colocaba bajo agua de mar, el agua de mar hidrataba la cal en una reacción exotérmica que solidificaba la mezcla. ^[19]

• Cal agrícola y encalado (suelo)
• Calcisol (tipo de suelo)
• Ecocemento
• Pegamento para pieles
• Luz de calcio
• Mortero de cal
• Ablandamiento con cal (tratamiento de agua)
• Agua de cal
• Encalado (procesamiento del cuero)
• Yesería
• Sascab : material de construcción y pavimentación ( Centroamérica )
• Vidrio sódico-cálcico
• Nixtamalización : un método de procesamiento de alimentos ( México )

• JAH Oates, Proyecto de Cal y piedra caliza: química y tecnología, producción y usos. Wiley-VCH, ISBN 3-527-29527-5 (1998) 
• Servicio Geológico de Estados Unidos

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• Asociación Nacional de la Lima (Estados Unidos y Canadá)
• La Asociación Británica de la Lima
• Foro de cales para la construcción (Reino Unido)
• La Asociación Europea de la Cal (EULA)
• Glosario de Robert W. Piwarzyk, Bibliotecas Públicas de Santa Cruz, California