La Cal en Ingeniería: Fuentes, Composición, Producción y Usos Prácticos

Historia y Relevancia Actual

El uso de la cal como material aglomerante se remonta a la antigüedad. Egipcios y romanos la aplicaron notablemente en construcciones. En India, grandes palacios, puentes, templos, fuertes y monumentos se construyeron con cal, y algunos aún existen en perfecto estado.

Actualmente, el cemento ha reemplazado a la cal en gran medida. Pero donde la cal está disponible localmente y hay escasez aguda de cemento, esta ofrece una alternativa barata y fiable.

Fuentes de Cal

La cal no se encuentra libre en la naturaleza. Se obtiene calcinando uno de estos materiales:

1. Piedras calizas de canteras
2. Bolones de piedra caliza de lechos de ríos antiguos
3. Kankar (caliza impura) encontrado bajo tierra
4. Conchas de animales marinos

Nota: la tiza blanca es caliza pura; el kankar es caliza impura.

Constituyentes de las Calizas y su Influencia

Las propiedades de la cal dependen de la composición de la caliza de origen:

1. Arcilla (8-30% deseable): Responsable de la hidraulicidad; hace la cal insoluble en agua. Exceso detiene el apagado; poca cantidad lo retarda.
2. Sílice Soluble: Esencial (con alúmina) para desarrollar hidraulicidad. Silicatos de Ca, Mg, Al son responsables. Inertes a baja temperatura, activos y combinables con cal a alta temperatura.
3. Carbonato de Magnesio (~30%): Permite apagado y fraguado lentos, pero mayor resistencia. Menor calor y expansión. Al ~30% confiere hidraulicidad incluso sin arcilla.
4. Alcalis y Óxidos Metálicos (≤5%): Desarrollan hidraulicidad por formación de silicatos solubles a baja temperatura.
5. Sulfatos (pequeñas cantidades): Aceleran fraguado y reducen apagado.
6. Hierro (pequeña cantidad): Forma silicato complejo a alta temperatura. Exceso es objectionable.
7. Pirita: Indeseable; tales calizas deben rechazarse.

Clasificación de las Cales

Las cales obtenidas por calcinación se clasifican en tres categorías:

1. Cal grasa (Fat lime)
2. Cal hidráulica (Hydraulic lime)
3. Cal pobre (Poor lime)

1. Cal Grasa (Fat Lime)

También: cal de alto calcio, cal pura, cal rica, cal blanca. "Grasa" porque apaga vigorosamente, aumentando su volumen 2-2,5 veces el de la cal viva. Se obtiene calcinando carbonato de cal comparativamente puro (~95% CaO, impurezas <5%).

Propiedades: Endurece muy lenta; alta plasticidad; soluble en agua renovada; color blanco perfecto; fragua lento al aire; apaga vigorosamente.

Usos: Blanqueo y enlucido de muros; mortero de cal con arena (juntas finas de albañilería); mortero con surkhi (polvo de ladrillo quemado) → buenas propiedades hidráulicas y de fraguado (muros gruesos, cimentaciones).

2. Cal Hidráulica (Hydraulic Lime)

También: cal de agua (fragua bajo agua). Contiene arcilla y algo de óxido ferroso. Según % de arcilla:

• Hidráulica débil (Feebly)
• Moderadamente hidráulica
• Eminentemente hidráulica

Hechos clave: Más arcilla → apagado más difícil y mayor hidraulicidad. ~30% arcilla → similar a cemento natural. Fragua bajo agua y en muros gruesos sin circulación de aire. Color no blanco perfecto → menos "sanitaria" que cal grasa. Pasta fina con agua; no se disuelve aunque se renueve. Para enlucido: moler fino, mezclar con arena, mantener en montón 1 semana y volver a moler.

3. Cal Pobre (Poor Lime)

También: cal impura, cal magra. >30% arcilla. Apaga muy lento. Pasta fina. No se disuelve en agua. Fraguado/endurecimiento muy lento. Malas propiedades aglomerantes. Color blanco sucio. Mortero muy pobre; solo para trabajos inferiores o donde no hay buena cal.

Clasificación BIS (IS 712-1984)

Seis clases:

Clase	Tipo	Uso Principal	Forma Suministro	Resistencia Mín. (N/mm²) 14/28 días (mortero 1:3)
A	Hidráulica eminente	Estructural	Hidratada	1,75 / 2,80
B	Semi-hidráulica	Morteros albañilería	Viva o hidratada	1,25 / 1,75
C	Grasa	Capa final enlucido, blanqueo, + aditivos puzolánicos	Hidratada o viva	—
D	Magnesiana/Dolomítica	Capa final enlucido, blanqueo	Hidratada o viva	—
E	Kankar	Morteros albañilería	Hidratada	—
F	Dolomítica silícea	Capa base y final enlucido	Hidratada o viva	—

Las aplicaciones son orientativas. Requisitos químico-físicos y métodos de ensayo en BIS 712 y BIS 6932-1973.

Fabricación de Cal Hidráulica Natural

Tres operaciones distintas:

1. Recolección de kankar
2. Calcinación de kankar
3. Apagado y molienda de cal quemada

1. Recolección de Kankar

Kankar = caliza impura. Dos formas: nódulos y bloques.

• Nódulos: en superficie o poco profundos. Fáciles de recoger; material superior para cal hidráulica natural porque (i) resisten calor y lluvia sin desintegrarse, (ii) mayor % arcilla → mejores propiedades hidráulicas.
• Bloques: estratos subterráneos, cerca de ríos/arroyos. Espesor 50-300 mm.

Se extraen con picos y barras, se limpian de barro/tierra y reducen a tamaños adecuados.

2. Calcinación de Kankar

Quemado a calor rojo vivo, ya sea en clamps o hornos como para cal grasa.

3. Apagado y Molienda

El apagado de cal hidráulica es muy lento. Por eso, la cal viva se muele en seco antes de añadir agua.

Molienda: (i) manual con mazos de madera, (ii) molinos accionados por bueyes o vapor, (iii) máquinas especiales.

Diferencias en Apagado: Cal Grasa vs. Hidráulica

Aspecto	Cal Grasa	Cal Hidráulica
Agua para apagado	Toda de una vez	Gradualmente
1 parte cal viva → pasta/polvo	1,5 partes pasta / 2 partes polvo	1 parte pasta / 1,5 partes polvo
Cantidad agua requerida	Más	Menos
Tiempo de apagado	3-4 horas	12-48 horas

Fabricación de Cal Hidráulica Artificial

Si la materia prima natural no es adecuada, puede prepararse cal hidráulica artificialmente. La cal grasa puede convertirse en hidráulica añadiendo arcilla en proporción requerida.

Dos Métodos

1. Conversión de caliza blanda (tiza): Moler a polvo, mezclar con arcilla, quemar en horno, apagar como cal hidráulica natural.
2. Conversión de caliza dura: Quemar y apagar primero. A la cal apagada añadir arcilla en proporción. Formar bolas, secar, quemar en horno. Apagar como cal hidráulica natural. Al quemarse dos veces, se llama "cal de doble horno" (twice-kilned lime).

Precauciones en Manipulación de Cal

1. Contacto con agua: La cal viva no debe contactar agua antes del apagado.
2. Protección trabajadores: Polvo irrita → gafas y respiradores. Quemaduras en piel húmeda → guantes de goma, botas, crema protectora.
3. Riesgo incendio: Cal viva desprende mucho calor al apagar → medidas contra incendios.
4. Instrucciones post-manipulación: Lavar partes expuestas con abundante agua. Quienes manipulan leche de cal (caliente) deben aceitar la piel diariamente para evitar quemaduras.

Usos de la Cal

• Materia prima química: purificación de agua, tratamiento de aguas residuales.
• Fundente en industria metalúrgica.
• Matriz para hormigón y mortero.
• Material refractario para revestir hornos de hogar abierto.
• Producción de vidrio.
• Mortero para albañilería.
• Enlucido de muros y techos.
• Piedra artificial, ladrillo cal-arena, productos espuma-silicato.
• Estabilización de suelos y mejora agrícola.
• Blanqueo y base para temple.
• Mezclada con cemento Portland → mortero con propiedades valiosas, sustituye mortero de cemento costoso.

Ensayo de Calizas

Para determinar la calidad de cal obtenible. Para idoneidad exacta, ensayos químicos detallados en laboratorio. Para información general, cuatro ensayos prácticos:

1. Propiedades físicas
2. Ensayo de calor
3. Ensayo ácido
4. Ensayo de bola

1. Propiedades Físicas

Caliza pura → color blanco. Calizas hidráulicas → gris azulado, marrón u oscuro. Sabor arcilloso y olor terroso. Partículas brillantes en superficie → arena libre. Terrones → cal viva o caliza sin quemar.

2. Ensayo de Calor

Trozo de caliza seca se pesa, se calienta al fuego abierto unas horas. Se pesa de nuevo. Pérdida de peso = CO₂. De ahí se calcula % carbonato cálcico.

3. Ensayo Ácido

Cucharadita de cal en polvo en tubo de ensayo + HCl diluido. Remover y dejar 24 h en vertical.

• Alto CaCO₃ → efervescencia vigorosa, poco residuo → caliza pura.
• Bajo CaCO₃ → poca efervescencia, mucho residuo → caliza impura/hidráulica.
• Gel espeso/semisólido que no fluye al invertir → Clase A.
• Gel no muy espeso, fluye al inclinar → Clase B.
• Sin formación de gel → Clase C.

4. Ensayo de Bola

Bolas de ~40 mm de cal apagada consistente (añadiendo agua suficiente). Reposo 6 h. Sumergidas en agua.

• Expansión lenta y desintegración lenta en minutos → Clase C.
• Poca o ninguna expansión y numerosas grietas → Clase B.