Cales: Obtención, Propiedades, Tipos y Aplicaciones en Construcción y Geotecnia

Introducción a las Cales

Materias Primas

La principal materia prima para la obtención de cales es la caliza, una roca sedimentaria compuesta mayoritariamente por carbonato cálcico (CaCO₃). Se caracteriza por su baja dureza y por reaccionar con ácidos.

Fabricación de la Cal

El proceso de fabricación de la cal comprende varias etapas:

• Extracción: Generalmente a cielo abierto.
• Trituración: Se realiza un machaqueo previo de la roca caliza.
• Calcinación: Se somete la caliza triturada a temperaturas superiores a 900°C. Este proceso puede llevarse a cabo mediante diferentes métodos:
  • Al aire libre con llama: Produce una cocción desigual y un desaprovechamiento del calor.
  • Al aire libre por capas: Presenta bajo rendimiento, es caro, lento y de baja calidad.
  • Hornos intermitentes por capas.
  • Hornos verticales modernos: Incluyen etapas de precalentamiento, cocción y enfriamiento.
  • Hornos rotatorios: Permiten grandes producciones de alta calidad y uniformidad.

Apagado de la Cal (Hidratación)

El apagado de la cal es el proceso mediante el cual la cal viva (óxido de calcio, CaO) reacciona con el agua (H₂O), dando lugar a un producto hidratado conocido como hidróxido de calcio (Ca(OH)₂) o cal apagada. Esta reacción es rápida, exotérmica (libera calor) y provoca un aumento del volumen aparente. La cal apagada es un cuerpo sólido, blanco, amorfo y ligeramente soluble en agua.

Fraguado y Recarbonatación de las Cales Aéreas

El endurecimiento de las cales aéreas se produce en dos etapas principales:

1. Desecación inicial: Por evaporación del agua de amasado.
2. Carbonatación: Por absorción de anhídrido carbónico (CO₂) del aire, lo que reconstituye la caliza inicial (CaCO₃). Este proceso se conoce como recarbonatación.

Factores que Influyen en la Velocidad de Hidratación de la Cal Viva

La velocidad de hidratación de la cal viva depende de varios factores:

• a) Condición física de la cal viva: A mayor superficie expuesta (es decir, cuanto más fina sea la partícula), más rápida será la hidratación.
• b) Composición química de la cal viva: Cuanto más pura sea la cal, más rápida será la hidratación.
• c) Temperatura de cocción de las calizas: Temperaturas muy elevadas durante la calcinación pueden producir cales menos reactivas (calcinadas en exceso).

Sistemas de Apagado de las Cales

Existen diversos sistemas para el apagado de la cal:

1. Espontáneo al aire: Es un proceso lento (puede durar hasta 3 meses) y durante el cual la cal puede absorber CO₂ del ambiente, carbonatándose parcialmente.
2. Por aspersión: Se rocía agua sobre la cal viva.
3. Por inmersión: Se sumerge la cal viva en agua.
4. Por fusión.
5. En autoclaves: Se utiliza vapor de agua a presión. Es un método caro pero produce una cal de calidad uniforme.
6. Hidratadores mecánicos: Equipos diseñados para optimizar el proceso de apagado, controlando la adición de agua y la temperatura.

Obtención y Características de la Cal Hidráulica

La cal hidráulica se forma cuando, a temperaturas superiores a 900°C, reaccionan el óxido de calcio (CaO) con la sílice (SiO₂) y la alúmina (Al₂O₃) presentes en la caliza (generalmente margas, que son calizas con un contenido de arcilla).

• Índice hidráulico (I_H): Es la relación en peso entre la suma de los óxidos de silicio (SiO₂), aluminio (Al₂O₃) y hierro (Fe₂O₃) respecto a la suma de los óxidos de calcio (CaO) y magnesio (MgO). Su fórmula es: I_H = (%SiO₂ + %Al₂O₃ + %Fe₂O₃) / (%CaO + %MgO).
• Módulo hidráulico: Es la inversa del índice hidráulico.

Generalmente, a mayor índice hidráulico, la cal hidráulica presenta:

• Color más oscuro.
• Menor tiempo de fraguado.
• Mayor densidad.
• Mayores resistencias mecánicas.

Propiedades de las Cales

Cales Aéreas

• Endurecimiento: Lento, puede tardar desde semanas hasta varios meses (ej. 6 meses o más), por recarbonatación (absorción de CO₂ atmosférico).
• Empleo: Principalmente en lugares aireados y secos, ya que necesitan CO₂ para endurecer.
• Comportamiento con agua: Una vez endurecidas, pueden perder dureza si están en contacto prolongado con exceso de agua.
• Fisuración: Pueden presentar fisuraciones si el secado es demasiado rápido.
• Expansiones: Riesgo de expansiones y agrietamientos si se utiliza cal recién apagada o con un apagado incompleto.
• Almacenamiento: Puede sufrir carbonatación parcial si el almacenamiento es prolongado y en contacto con el aire.
• Usos (si es muy pura): En blanqueos, como pintura (lechada de cal), y en la elaboración de morteros y estucos.

Cales Hidráulicas

Presentan propiedades similares a las aéreas, con las siguientes diferencias clave:

• Fraguado: Tienen la capacidad de fraguar y endurecer no solo al aire, sino también bajo el agua (hidraulicidad), debido a la formación de silicatos y aluminatos cálcicos hidratados.
• Tiempo de fraguado: Mucho más corto que las cales aéreas, del orden de horas a días (ej. inicio de fraguado en unas pocas horas, final en torno a 2 días, dependiendo del tipo).
• Resistencias mecánicas: Mucho mayores que las cales aéreas, tanto a compresión como a flexotracción.

Aplicaciones de las Cales

a) Morteros

Los morteros de cal (tanto aéreos como hidráulicos) ofrecen:

• Facilidad de manejo (trabajabilidad) y plasticidad.
• Retención de agua: Impiden el paso rápido del agua a los ladrillos u otros soportes porosos, mejorando la adherencia y el curado.
• Resistencia adecuada para soportar cargas, adaptada al tipo de cal.
• Buena adherencia a materiales cerámicos y pétreos.
• Durabilidad y resistencia a los agentes atmosféricos. Permeabilidad al vapor de agua.

b) Revestimientos

Se utilizan en enfoscados, revocos y enlucidos. En ocasiones, se puede añadir yeso o cemento para modificar propiedades como el tiempo de fraguado (acelerar).

c) Ladrillos Silicocalcáreos

Fabricados con aproximadamente un 90% de arena y el resto cal, sometidos a un proceso de curado en autoclave con vapor de agua a presión.

Características Técnicas de los Ladrillos Silicocalcáreos:

• Buen comportamiento térmico y acústico.
• Alta reflectancia (contribuye a reducir la absorción de calor en fachadas).
• Idóneos en cerramientos y divisiones.
• Buen comportamiento frente al fuego (material incombustible).

Estabilización de Suelos con Cal

La estabilización de suelos con cal es una técnica geotécnica empleada en suelos con alto contenido de agua, presencia de arcillas plásticas o expansivas, o ambas condiciones. Sus ventajas incluyen:

• Permite secar suelos excesivamente húmedos, mejorando su trabajabilidad.
• Estabiliza las características de los suelos arcillosos (reduce la plasticidad, el potencial de hinchamiento y la susceptibilidad al agua).
• Permite utilizar los suelos existentes en la traza de una obra (carreteras, explanadas), evitando su costoso reemplazo y transporte.

Estabilización por Modificación (Efecto Inmediato)

Tras la adición de cal al suelo, se producen una serie de cambios físico-químicos rápidos:

• Intercambio iónico: Los iones Ca²⁺ de la cal disuelta reemplazan a otros cationes adsorbidos en la superficie de las partículas de arcilla.
• Neutralización: La cal, al ser alcalina, neutraliza la acidez del suelo.
• Floculación y Aglomeración: El aumento del pH y la alta concentración de iones Ca²⁺ provocan que las partículas finas de arcilla floculen (se agrupen), formando agregados más grandes y estables. Se forman nódulos de hidróxido de calcio (Ca(OH)₂).

Como resultado, los suelos mejoran inmediatamente su trabajabilidad (son menos plásticos y más friables) y su capacidad portante a corto plazo. En laboratorio, esta modificación se comprueba por:

• Disminución de la humedad natural (W), del índice de plasticidad (IP) y de la densidad máxima Proctor (γ_dmax).
• Aumento del límite plástico (LP) y del índice CBR (California Bearing Ratio) inmediato.
• Aplanamiento de la curva de compactación Proctor.

Estabilización por Cementación (Efecto a Largo Plazo o Puzolánico)

Los minerales de las arcillas (principalmente sílice y alúmina) actúan como puzolanas naturales. A largo plazo, y en presencia de agua y del alto pH inducido por la cal, estos minerales se disuelven lentamente y reaccionan con el calcio de la cal. Esta reacción puzolánica forma compuestos cementantes estables (silicatos y aluminatos cálcicos hidratados, C-S-H y C-A-H), similares a los que se forman en la hidratación del cemento Portland.

Este proceso de cementación, que se desarrolla durante semanas, meses e incluso años, se constata en laboratorio y en campo por:

• Aumento significativo y progresivo del índice CBR.
• Mejora de la estabilidad volumétrica (menor hinchamiento y retracción).
• Incremento de las resistencias mecánicas (resistencia a compresión simple, módulo resiliente, etc.).
• Mayor resistencia a los ciclos de helada-deshielo.
• Reducción de la permeabilidad.

Estabilización de Suelos Arcillosos Secos

Para la estabilización de suelos arcillosos secos, se prefiere utilizar cal apagada (Ca(OH)₂) en polvo o, más habitualmente, en forma de lechada de cal (suspensión de cal apagada en agua) para aportar la humedad necesaria. El uso de cal viva (CaO) en suelos muy secos ocasionaría una pérdida de agua adicional del suelo debido a la reacción exotérmica de hidratación (CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + calor), lo que podría requerir un riego adicional para asegurar la humedad óptima para la compactación y las reacciones puzolánicas.

Factores que influyen en la humedad de los suelos tratados con cal:

• Aporte del producto en seco: La adición de cal en polvo puede reducir ligeramente la humedad por dilución.
• Consumo de agua en la reacción de hidratación (si se usa cal viva): CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + calor. Se sabe que con un 1% de cal se puede obtener una reducción de agua del orden del 0.5% al 1% (la afirmación original de "-5% agua" es muy elevada y depende de muchos factores, pero se mantiene la idea de reducción).

Si se exige un rápido endurecimiento y mayores resistencias iniciales, se puede recurrir a una estabilización mixta con cal y cemento. En este caso, el proceso se desarrolla en dos fases:

1. Primera fase: La cal modifica el estado del suelo, floculando las arcillas, reduciendo la plasticidad y mejorando la trabajabilidad, creando un ambiente favorable para la hidratación del cemento.
2. Segunda fase: El cemento proporciona un rápido desarrollo de resistencias, complementado por las mejoras a largo plazo de las reacciones puzolánicas de la cal.