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Uribe et. al., 57–80
MINERALES ARCILLOSOS DEL ECUADOR.
PROTOCOLO DE CATEGORIZACIÓN
CERÁMICA: UNA REVISIÓN
CLAY MINERALS FROM ECUADOR. CERAMIC CATEGORIZATION
PROTOCOL: A REVIEW
Rafael Uribe,
1,2
*
Andrés Chico,
1
Nelly Rosas
3
& Luis Lascano
4
Recibido: 1 de octubre 2019 / Aceptado: 18 de diciembre 2019
DOI: 10.26807/ia.v8i1.125
Palabras clave: Arcillas, caracterización cerámica, minerales arcillosos,
minerales no metálicos, propiedades cerámicas.
Keywords: Clays, ceramic characterization, clay minerals,
non-metallic minerals, ceramic properties.
RESUMEN
Para el sector cerámico europeo resulta natural reconocer y distinguir, dentro
de una mina o afloramiento de mineral arcilloso, propiedades similares y de-
1 Escuela Politécnica Nacional, Departamento de Ingeniería Química. PO·Box 17-01-2759, Quito-Ecua-
dor. (* correspondencia: rafael.uribe@epn.edu.ec ; andres.chico@epn.edu.ec)
2 Instituto Universitario de Tecnología “Dr. Federico Rivero Palacio”, Dpto. de Tecnología de Materiales,
PO·Box 40347, Caracas 1040-A, Venezuela.
3 Escuela Politécnica Nacional, Departamento de Materiales. PO·Box 17-01-2759, Quito, Ecuador
(nelly.rosas@epn.edu.ec)
4 Escuela Politécnica Nacional, Departamento d
e Física. PO·Box 17-01-2759, Quito, Ecuador. (luis.las-
cano@epn.edu.ec)
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terminar correspondencias beneficiosas entre la naturaleza mineral. Así, es po-
sible prever el potencial de uso de un lote, concertar su influencia en produc-
ción y prevenir las variaciones que generan pérdidas, minimizan la
productividad y la calidad en los productos. En Latinoamérica, y en especial
en el Ecuador, es escasa la información que se tiene sobre las propiedades tec-
nológicas de las materias primas utilizadas en el sector cerámico. Pocos indus-
triales, artesanos y centros de investigación realizan estudios formales para
minimizar y controlar el efecto de las materias primas en la productividad.
Dada la falta de conocimiento que se tiene para abordar esta problemática, en
este trabajo se plantea la descripción de un protocolo de caracterización y ca-
tegorización cerámica mineral. Protocolo que se valida con la exposición de
la
s características tecnológicas y cerámicas de minerales arcillosos, pertene-
cientes a la Sierra del Ecuador, su clasificación y potencial de aplicación dentro
del sector cerámico, a partir del uso del protocolo de categorización propuesto.
ABSTRACT
For the European ceramic sector, it is natural to recognize similar properties
within a mine or mineral clay outcrop and to determine useful correspondences
between the
mineral nature and its properties. Thus, it is possible to predict the
potential use of a batch of mineral, to agree on its influence on production and
to prevent changes that could generate losses, minimize productivity and affect
the quality of the products. In Latin America, and especially in Ecuador, there
is a lack of information regarding the technological properties of raw materials
used in
the ceramic sector. Indeed, only a few industrials, artisans and research
centers carry out formal studies to minimize the effect of raw materials in pro-
ductivity and to control it. Given the lack of knowledge to address this prob-
lematic, this paper suggests the description of a protocol for the characterization
and categorization of clay minerals, that could be used for both the artisanal
an
d the industrial ceramic sector. In this way, this work has focused on exposing
the technological and ceramic characteristics of clay minerals from Ecuador’s
highlands, establishing its classification and presenting its potential application
within the ceramic sector, based on the proposed categorization protocol.
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PROTOCOLO DE CATEGORIZACIÓN CERÁMICA, UNA REVISIÓN
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Todos los fabricantes de piezas cerá-
micas parten de un origen común, el
consumo de minerales arcillosos, di-
ferenciando sus productos a partir de
las innovaciones propias introduci-
das en los procesos de producción
artesanal o industrial, donde se em-
plean tecnologías tradicionales y/o
modernas de fabricación (Uribe,
2015). Los minerales arcillosos se
originan de la descomposición de
rocas feldespáticas, cuyo compo-
nente principal es la caolinita
(Al
2
O
3
•2SiO
2
•2H
2
O), estos son
utilizado en diversas aplicaciones
que v
an desde la industria cerámica,
la del cemento hasta otras industrias
como la del papel, pintura, pestici-
das, farmacéuticos y cosméticos,
entre otras (Guillén, Briviesca & Es-
cudero, 2012).
Las materias primas minerales usadas
en la
obtención de piezas cerámicas
son principalmente sólidos cristalinos
inorgánicos no metálicos, los cuales
han sido formados por procesos geo-
lógicos complejos (Vázquez, Torres,
Garza, Martínez & López, 2009). Las
propiedades de las piezas cerámicas
están determinadas principalmente
por la estructura cristalina, la compo-
sición química de sus constituyentes
esenciales y por la naturaleza y can-
ti
dad de los aditivos minerales pre-
sentes. Las características mineraló-
gicas de tales materiales y por lo
tanto sus propiedades cerámicas
están sujetas a la gran variación que
existe entre las diferentes ocurrencias
o aún entre la misma ocurrencia, de-
pendiendo del ambiente geológico
en el cual se formó el depósito mine-
ral, así como también de las modifi-
caciones físicas y químicas que
hayan tenido lugar durante la historia
geológica posterior (Uribe, 2015).
De
manera general, el valor econó-
mico de los minerales arcillosos
tiende a ser bajo en relación directa
con la cantidad de impurezas que
contienen, se comercializan a granel,
se clasifican de acuerdo con su colo-
ración y su procesamiento consiste
básicamente en las mezclas de ex-
tracción y en el mejor de los casos en
algún tipo
de molturación. Las diver-
sas aplicaciones de estos minerales
en procesos industriales dependen de
su mineralogía y de las propiedades
físicas, así por ejemplo el tamaño de
INTRODUCCIÓN
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partícula afecta la fluidez, la plastici-
dad y la facilidad de dispersión de las
pastas utilizadas (Espinosa, 1979).
Las impurezas mineralógicas de los
caolines afectan la refractariedad, re-
sistencia mecánica, estabilidad tér-
mica y las transformaciones de fase
que ocurren durante el quemado. La
relación SiO
2
/Al
2
O
3
es fundamental
en la respuesta térmica de los mine-
rales arcillosos, el contenido de alú-
mina determina la plasticidad de la
pasta, el
índice de contracción, la re-
fractariedad y la resistencia mecánica
de las piezas cerámicas. Por ejemplo,
contenidos de óxido de hierro y tita-
nio superiores al 1 % afectan de ma-
nera significativa la producción de
cerámica blanca, aportando cambios
en la coloración y manchas no de-
seables durante la cocción de las pie-
zas (Guillén et al., 2012).
Cuando la empresa se limita solo a
realizar los ensayos más básicos so -
bre su materia prima (por ejemplo:
rechazo sobre malla ASTM 100 u
otra, color y contracción de cocción),
el efecto de tales variaciones es a me-
nudo supuesto
de manera meramen -
te intuitiva y a veces, simplemente,
ignorado en la toma de decisiones.
Por ello, se suelen sufrir los efectos
de la entrada de una materia prima
variable, sobre los parámetros claves
de producción,
con escasas posibili-
dades de prevenirlos y con muchas
dificultades para compensarlos. Por
ejemplo, en el caso de la producción
de baldosas, se pueden mencionar
como parámetros claves: la fluidez
de la pasta, su molturabilidad; la per-
meabilidad de la mezcla y su efecto
en la humedad de los gránulos de
atomización y de las baldosas al salir
del secadero; la plasticidad de la
mezcla y su efecto en el módulo de
rotura
en crudo y en seco de las pie-
zas prensadas y el comportamiento
en el horno, reflejado entre otros por
la absorción de agua y la contracción
de quema. Las fallas de productivi-
dad y de la calidad, y con ellas las
pérdidas económicas, son una con-
secuencia de esta variación poco en-
tendida y/o ignorada de las
características de la mina o aflora-
miento mineral (Amorós, 1998).
En Latinoamérica
y en especial en el
Ecuador en pleno siglo XXI, la mayo-
ría de la producción cerámica artesa-
nal o industrial, es particularmente
empírica “práctica-vivencial”, en el
sentido de que el control de las ma-
terias primas, la preparación de las
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pastas, el conformado de piezas y la
cocción se hace sin el empleo de
protocolos de control de los paráme-
tros técnicos y claves de producción,
incluso sin contar con aparatos sim-
ples de medida de alguna variable.
La producción depende de la expe-
riencia, el criterio y la sensatez del
encargado del proceso, se utilizan los
dedos para conocer la plasticidad de
una arcilla y los ojos para certificar la
temperatura óptima de cocción de
los productos (Poirier, Baena, Picardo
& Hung, 2014).
Ho
y en día, por el contrario, el res-
ponsable de la producción debe estar
al corriente y controlar una serie de
especificaciones, debe plasmar en
números sus resultados e ideas y para
esto no bastan los sentidos. Cuanto
mayor es el grado de automatización,
mayor es la necesidad de la uniformi-
dad del producto. Por ello es por lo
qu
e en la industria cerámica se
vuelve fundamental el uso de proto-
colos y ensayos precisos, pues a tra-
vés de estos se controla el fin último
de la industria, es decir, la produc-
ción (Amorós, 1998).
Los ensayos deben ser de ejecución
rápida, para poder ejercer una acción
correctora en el momento justo. Re-
sulta así indispensable en toda pro-
ducción artesanal o industrial,
realizar controles y ensayos de forma
periódica y habitual, sin esperar a que
se presenten los problemas de desa-
juste o descontrol de la producción,
pues entonces suele ser demasiado
tarde para evitarlos y ello representa
mermas en la productividad e impor-
tantes pérdidas de dinero.
En cualquier
caso, para poder reme-
diar un defecto, se hace preciso co-
nocer perfectamente sus condiciones
y características en estado normal de
operación y para ello nada mejor que
los ensayos precisos y cotidianos. Los
ensay
os por realizar deben adaptarse
a las circunstancias de cada empresa,
su presupuesto y tipo de fabricación
deben irse perfeccionando y, a me-
dida que la tecnología avanza, irse
cambiando por otros más adecuados
e innovadores (Torres, Gutiérrez, Cas-
telló, & Vizcayno, 2011).
En cuanto al uso de minerales arcillo-
sos hay solamente dos posibilidades
de control,
en el proceso de fabrica-
ción de piezas de cerámica: cambiar
incesantemente los parámetros de los
procesos en función del análisis fre-
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cuente y sucesivo realizado a la ma-
teria prima o uniformizar la materia
prima, de tal manera que el control
de procesos puede limitarse a ajustar
eventualmente los niveles de los pa-
rámetros hacia la mejor calidad del
producto (Amorós, 1998).
El primer caso resulta bastante difícil
debido a la alta inercia de los proce-
sos de producción y el elevado costo
del análisis y caracterización de cada
lote de materia prima introducido al
proceso. P
arece entonces más bene-
ficiosa la segunda alternativa, debido
al ahorro concreto en el costo de los
análisis tecnológicos y al mejor con-
trol de los parámetros de producción,
ya que se proyecta homogeneizar las
materias primas hasta un nivel donde
la variación restante no influya signi-
ficativamente en la calidad del pro-
ducto.
Dada la importancia que tiene el po-
seer el control tecnológico sobre las
variables
que influyen en la elabora-
ción de piezas cerámicas, base que
permite obtener piezas con las pro-
piedades y la calidad adecuadas en
el servicio, garantizando la reprodu-
cibilidad de las mismas, en este tra-
bajo se ha prestado atención a un
importante grupo de trabajos de in-
vestigación (ya referenciados y por
referenciar). Correspondientes al es-
tudio de yacimientos y afloramientos
de
minerales arcillosos, los cuales
han permitido concretar procedi-
mientos comunes de exploración, ca-
racterización y análisis de este tipo
de materias primas y lo más impor-
tante describir la naturaleza y com-
portamiento de minerales primarios y
secundarios contenidos en arcillas,
determinar fases minerales presentes,
definir y clasificar las arcillas según
criterios cerámico-geológicos y el
ámbito artesanal,
industrial o cientí-
fico de su utilización.
La investigación se ha centrado en el
uso de un protocolo de caracteriza-
ción y valoración de minerales arci-
llosos, que servirá de guía al sector
cerámico artesanal e industrial del
Ecuador. Esto nos permite exponer
las potencialidades tecnológicas de
minerales arcillosos existentes en la
Sierra del Ecuador, escogidos como
ejemplo de aplicación del protocolo,
establecer su
clasificación según cri-
terios cerámicos y fisicoquímicos, así
como su mejor perspectiva de aplica-
ción en el sector cerámico.
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Programa de control y validez de mi-
nerales arcillosos
En la Figura 1 se resume el programa
de control de minerales arcillosos
que se sugiere seguir para asegurar la
validez y el control de las propieda-
des y características de una materia
prima, a ser usada en un proceso de
fabricación artesanal o industrial de
piezas cerámicas (Paetsch, 1977).
Figura 1. Esquema. Programa de control y validez de minerales arcillosos
para uso artesanal y/o industrial cerámico. Basado en Paetsch, 1977
Mitchell (1974) estableció la diferen-
cia entre propiedades fundamentales
y funcionales de los minerales,
siendo las últimas las asociadas al
control directo y práctico que im-
plica la toma de decisiones oportu-
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nas, cuando se detecta alguna des-
viación en la medida; por ejemplo: el
módulo de ruptura de una arcilla, el
color de quema, el residuo de cuarzo
sobre una malla, etc. Por otra parte,
las propiedades fundamentales son
las que evidencia la naturaleza física
y química del mineral, por ejemplo:
la distribución granulométrica, la
composición mineral, densidad, etc.
Por consiguiente, se estudiará cuida-
dosamente qué propiedades pueden
ca
racterizar las desviaciones de la
materia prima, que influirán directa-
mente en la calidad de subproductos
y productos.
Según Paetsch (1973), si la caracterís-
tica es constante, por consiguiente,
las demás propiedades del material
son igualmente constantes, el mé-
todo de medición debe ser rápido,
económico y con la precisión de-
seada, y las desviaciones de la carac-
terística deben indicar qué medidas
deben tomarse para corregir la des-
viación de
materia prima. Por lo ge-
neral, se deben escoger como
míni mo tres características, que en
conjunto indiquen si un mineral
cumple con las exigencias y puede
aceptarse en la producción sin difi-
cultad.
Variaciones de las materias primas
causan variaciones más o menos no-
tables en las propiedades del pro-
ducto. El conocimiento de la
tolerancia de un proceso es funda-
mental par
a poder establecer el mar-
gen dentro del cual la calidad de una
materia prima puede variar sin perju-
dicar la calidad del producto. El paso
6 indicado en la Figura 1 se basa en
el diálogo entre el consumidor y el
productor de la materia prima, a fin
de definir la calidad de la materia
prima y su variación. Esta variación
del mineral se estima en base al re-
gistro cronológico de datos analíticos
de v
arios meses y a los resultados de
una serie de experimentos que inqui-
rieron los cambios que sufren las pro-
piedades, en relación con variacio-
nes de la composición normal de la
pasta, si no se tienen los registros es
hora de corregir (Paetsch, 1977).
Cada yacimiento o afloramiento mi-
neral contiene material útil e inútil,
pudiendo el material inútil perjudicar
las propiedades del resto útil.
Si el
yacimiento ofrece los minerales
separados por estratos o en bolsa, la
separación de minerales es fácil. Por
el contrario, si la mayoría de los mi-
nerales arcillosos y arenas están ínti-
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mamente mezclados no pueden dis-
tinguirse y por ende no pueden ser
juzgados solo por su apariencia, en
este caso la selección se vuelve muy
delicada y debe obedecer a protoco-
los bien específicos (Paetsch, 1977).
Tomando en cuenta las dificultades
de la extracción y del transporte que
se tiene en muchos casos para el es-
tudio de nuevos minerales arcillosos,
se recomienda el acopio (prepara-
ción de depósitos) de lotes que con-
te
ngan una cantidad de mineral
adecuada al volumen y gasto de pro-
ducción, ya sea mensual, semestral o
anual. Se recomiendan cantidades
entre 1-2 toneladas para procesos ar-
tesanales y del orden de 3000 tone-
ladas en procesos industriales.
En consecuencia, para mantener los
parámetros de producción en sus va-
lores óptimos se necesita, por una
parte, establecer un adecuado siste -
ma de homogeneización que consiga
uniformizar las
distintas calidades de
arcilla suministrada y, por otra, reali-
zar una serie de controles que permi-
tan observar la evolución de sus
características y, de este modo, dis-
cernir si son aptas o no para su intro-
ducción en el proceso de fabricación
(Amorós, 1998).
A partir de consideraciones estadísti-
cas y de los años de experiencia acu-
mulada en la evaluación de
minerales arcillosos, se recomienda
tomar del
acopio una muestra repre-
sentativa de entre 5-15 kg. En gene-
ral, como paso previo a la prepa-
ración específica de las muestras y/o
probetas objetos de evaluación, se
prepara mediante homogenización y
cuarteo una muestra representativa
de los distintos minerales arcillosos.
Es obvio que la toma de la muestra
correcta y su preparación es tan im-
portante como el análisis mismo, sin
embargo, ha
y pocas publicaciones y
menos reglas integrales de evalua-
ción de minerales arcillosos.
Para el estudio propiamente dicho de
los minerales arcillosos (punto 8, Fi-
gura 1), se propone el conjunto de
ensayos establecido en el protocolo
de análisis delineado en la Figura 2.
En este protocolo se pone de mani-
fiesto la idoneidad de la técnica y/o
método para la caracterización de los
minerales
y se analizan los principa-
les indicios y características de los
depósitos minerales, efectuándose
entre otros estudios granulométricos,
mineralógicos, químicos y tecnológi-
cos, que indican el aprovechamiento
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más favorable de este tipo de mate-
riales arcillosos.
Cabe indicar que siempre los méto-
dos de preparación de muestra y con-
trol seleccionados, en general, deben
satisfacer los criterios de rapidez,
sencillez y fiabilidad requeridos para
un adecuado control preventivo. Por
consiguiente, cada laboratorio, en
función de sus posibilidades selec-
cionará las técnicas que considere
más adecuadas.
Figura 2. Protocolo de validación de minerales arcillosos
para uso cerámico artesanal o industrial
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Se establecen en el protocolo pro-
puesto (Figura 2) dos tipos de contro-
les: el control básico y el complemen-
tario. En el control básico se incluyen
los ensayos que se caracterizarán por
su sencillez y por la rapidez con la
que se realizan (no más de 6 horas),
y sirven para comprobar, inicial-
mente, la conformidad o no de la
materia prima.
En el control comple-
mentario se incluyen ensayos más ex-
haustivos, que se llevarán a cabo
cuando la muestra no haya superado
el control anterior, al objeto de veri-
ficar la no conformidad. Estos ensa-
yos podrán ser más complicados,
requerir de equipamiento tecnoló-
gico especializado y un tiempo de
análisis substancialmente mayor (más
de 24 horas). Este control también se
re
aliza con el propósito de obtener
una caracterización completa de la
arcilla, cada cierto periodo de
tiempo, por ejemplo, anualmente
(Amorós, 1998).
Una vez definidos los tipos de con-
troles por los que se verificará la con-
formidad o no de un determinado
lote de mineral es preciso seleccionar
los ensayos que deberán ser incluidos
en cada uno de estos controles, las
características medidas o evaluadas a
partir de estos ensayos definirán la
calidad de la materia prima. Se de-
berá otorgar
prioridad a aquellas ca-
racterísticas que sean más sensibles a
los cambios fisicoquímicos del mate-
rial arcilloso y que influyan más so -
bre el comportamiento de la compo-
sición durante el proceso de fabrica-
ción, así como sobre la calidad del
producto acabado.
Para este estudio se colectaron mues-
tras minerales de la Región Sierra del
Ec
uador, con diferentes contenidos
del mineral arcilloso pertenecientes a
distintos afloramientos y minas de ex-
plotación artesanal e industrial. Se
pone de manifiesto, a través de la
evaluación de estos minerales, la ido-
neidad de las técnicas y/o métodos
para la caracterización de los mine-
rales.
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En este apartado se presentan ejem-
plos específicos de los resultados de
la aplicación del protocolo propuesto
en el estudio de los fenómenos aso-
ciados.
En los laboratorios o talleres se debe
preparar una pasta plástica con la
proporción de humedad adecuada
para el conformado, de aproximada-
mente 20%, se debe lograr homoge-
neizar completamente el mineral
otorgándole una plasticidad uni-
forme, se preparan probetas con di-
mensiones aproximadas de 5 x 5 x
0.5 cm,
a objeto de evaluar el com-
portamiento del mineral al secado y
sometido a distintos ciclos térmicos
(entre 850 y 1150 °C), su contrac-
ción de secado y cocción, los niveles
de absorción y resistencia mecánica
alcanzados y color de quema, entre
otros.
Control Básico
Las características de las arcillas o pa-
rámetros de calidad que se conside-
ran más interesantes de determinar
son: el color natural del mineral, afec-
tado por la presencia de vetas mine-
rales de distinto color o aglomerados
de materia orgánica y óxidos; la hu-
medad inicial, referida a la cantidad
de agua libre que está presente en las
arcillas cuando se extraen de la mina,
producto de las condiciones atmosfé-
ricas y del clima; la consistencia, ma-
nifestación de las fuerzas físicas de
cohesión y adhesión que actúan den-
tro de las arcillas, dependiendo de los
contenidos de humedad específicos
que poseen; y, finalmente, la textura;,
determinada por los componentes
minerales (arcilla, sedimento y arena),
punto en el cual la arcilla se vuelve
maleable y se le puede dar forma
(Amorós, 1998).
En la Tabla 1 se observa que las mues-
tras en estado de entrega presentan
suficiente homogeneidad en cuanto a
su constitución mineral, no eviden-
ciándose la presencia significativa de
materiales inertes ajenos a la propia
naturaleza mineralógica, así como
una excelente sensación al tacto, lo
que evidencia de antemano el impor-
tante margen de trabajabilidad que
poseen las arcillas. Las arcillas son de
consistencia extrafirme y firme, lo que
implicará que el empleo de estas re-
RESULTADOS
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querirá de equipos desmenuzadores
y/o desintegradores, con el objeto de
optimizar la eficiencia de molienda,
para lograr el tamaño de partículas
adecuado para su uso en pastas cerá-
micas. La presencia de aglomerados
de color violáceo y rojizo moreno en
la Arcilla AR-BO-15-01, sugiere la
presencia de materia orgánica y de
óxidos de hierro.
Tabla 1. Resultados del control básico de minerales arcillosos
de la Sierra del Ecuador. Según protocolo de caracterización cerámica propuesto
PROPIEDADES Mineral Arcilloso / Materia Prima
Arcilla Arcilla Arenosa Arena
AR-PI-15-01 AR-BO-15-01 SI-CH-15-01 SI-PI-15-01
Estado de entrega Terrones Terrones Terrones Suelta
gruesos gruesos desmenuzables
Sensación al tacto Untuosa con Untuosa con Árida se rompe Árida
presencia de presencia de antes de
aglomerados aglomerados manejarla
extraduros de negros de
vetas de materia orgánica
arcilla pura
Consistencia Extrafirme Firme Frágil Suelta
Textura Franco Arcillosa Arcillosa Arenosa Arenosa
Color en estado natural Beige grisáceo Marrón Rojiza Amarilla
Color beneficiado Beige Marrón Rojiza Amarilla
Presencia de impurezas Ninguna Ninguna Ninguna Ninguna
Materia
Orgánica Reacción Reacción
Sin reacción Sin reacción
moderada fuerte
Carbonatos Sin reacción Sin reacción Sin reacción Sin reacción
Sulfatos > 2000 ppm 1000 ppm --
Humedad Inicial (%) 4 6 20
De la evaluación química preliminar
de las materias primas se puede ob-
servar que la arcilla AR-BO-15-01
presenta evidencias de poseer canti-
dades apreciables de materia orgá-
nica, lo cual merece especial aten-
ción por su influencia en la aparición
de manchas negras (corazón negro),
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la disminución de la porosidad del
material, roturas de secado, etc., en
piezas de quema roja. La no detec-
ción de contenidos importantes de
carbonatos en las arcillas favorece
que no se produzca la aparición de
defectos como los grumos de cal, de-
fecto importante de controlar en pro-
ductos de obra limpia. Los altos
contenidos de sulfatos detectados, al
igual que el caso de la materia orgá-
nica, potencian la aparición de eflo-
rescencias en las superficies exte-
riores de las piezas. El color natural
de las arcillas, así como la muestra
arenosa SI-CH-15-01 anticipan el
contenido de hierro presente, lo cual
aporta a
los productos obtenidos, el
color rojo característico de piezas al-
fareras, después de la quema.
La aplicación de la primera parte del
protocolo de caracterización y valo-
ración de minerales arcillosos pro-
puesto (control básico), ha eviden-
ciado que este sirve de guía para el
sector cerámico artesanal e industrial
del Ecuador. La apreciación inicial de
los minerales arcillosos evaluados
anticipa el
potencial de uso de estos
minerales, debido a las excelentes
propiedades y la calidad que aporta-
rían en productos cerámicos de
quema roja como piezas modeladas
a mano, torno, extrusión de bloques,
tejas y ladrillos que se desean fabri-
car artesanal y/o industrialmente.
Control Complementario
En la
Tabla 2 se describen los resulta-
dos de la evaluación de la fracción
granulométrica gruesa de las materias
primas, según la norma ASTM C325.
Se puede observar cómo las arcillas
presentan una proporción de partícu-
las inferior a 45 µm superior al 90 %,
lo que da una clara indicación de
que ambas materias primas están
constituidas predominantemente
por
una fracción franco-arcillosa.
Los minerales arenosos presentan una
proporción de partículas inferior a 45
µm superior al 40 %, lo que las hace
buenas candidatas para introducirla
como material desgrasante en pastas
de quema roja, en proporciones que
pueden variar entre 15 y 30 %,
donde son requeridas arenas de gra-
nulometría comprendidas entre 50 y
500 µm (Murray, 2000).
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En la imagen de la Figura 3 se mues-
tran los resultados obtenidos de la
evaluación de la fracción granulomé-
trica fina (Ø<45 µm) de las materias
primas, según la norma UNE-ISO
13320. Los ensayos reflejan que la ar-
cilla AR-BO-15-01 presenta un diá-
metro promedio de partícula propio
de una materia prima de naturaleza
arcillosa pura (3,2 µm), así mismo, la
superficie específica da indicios de
que la muestra posee importantes
proporciones
de partículas muy finas
que tienen influencia predominante
en la plasticidad de las materias pri-
mas. Corroborándose así la natura-
leza arcillosa de la arcilla AR-BO-
15-01 indicada en la Tabla 1 (Santos,
Malagón & Córdoba, 2011).
En la Tabla 3 se puede observar que
las materias primas objeto de estudio
poseen tenores de óxidos del orden
establecido para minerales arcillosos,
lo que
permite inferir un buen com-
portamiento de las arcillas en pro-
ducción (Guillén et al., 2012). Sin
embargo, no se puede limitar este
comportamiento a la lista de óxidos
presentes, ya que estos pueden com-
binarse de distinto modo para dar
lugar a fases mineralógicas de diversa
y significativa importancia de actua-
ción en la producción, sin dejar de
Tabla 2. Análisis granulométrico por tamizado de minerales arcillosos
de la Sierra de Ecuador, según la norma ASTM C325
Malla ASTM % Retenido en Malla ASTM
N° Diámetro Arcilla Arcilla Arenosa Arena
(µm) AR-PI-15-01 AR-BO-15-01 SI-CH-15-01 SI-PI-15-01
100 Ø > 150 2,4 4,7 28,4 44,4
140 150 > Ø > 125 0,5 0,9 5,8 6,5
200 125 > Ø > 75 1,0 0,8 3,1 4,1
270 75 > Ø > 53 1,3 0,6 1,7 3,6
325 53 > Ø > 45 0,1 0,1 0,5 0,2
Total, retenido
5,3 7,1 39,5 58,8
(Ø > 45)
Total, pasante
94,7 92,9 60,5 41,2
(Ø < 45)
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considerar, por otra parte, la variabi-
lidad de composición en el mismo
yacimiento arcilloso. Podemos acotar
positivamente que la proporción de
óxido férrico detectado es inferior al
límite máximo (10 %) permitido en
productos de quema roja. Asimismo,
otros óxidos (Na
2
O, K
2
O, TiO
2
, etc.),
están presentes en cantidades míni-
mas y globalmente no superan el 5 %
máximo permitido, valores que ase-
guran una buena resistencia térmica.
Figura 3. Evaluación de la fracción granulométrica fina (Ø<45µm)
de minerales arcillosos de la Sierra del Ecuador, según la norma UNE-ISO 13320.
Tabla 3. Análisis químico por ICP de minerales arcillosos de la Sierra de Ecuador,
según la norma ASTM C323
Mineral Arcilloso %SiO
2
%Al
2
O
3
%Fe
2
O
3
%CaO %MgO %Na
2
O %K
2
O %TiO
2
% PF Total
Arcilla (AR-PI-15-01) 66.24 17.25 4.23 0.99 0.75 1.62 0.84 0.55 7.53 100
Arcilla (AR-BO-15-01) 60.12 20.04 3.33 2.04 0.95 1.89 0.83 0.53 10.27 100
Arenosa (SI-CH-15-01)
75.33 7.56 3.66 2.97 0.31 1.99 1.81 0.33 6.01 100
Arena (SI-PI-15-01) 89.37 1.01 4.54 0.05 0.22 0.30 0.14 0.09 4.28 100
Los productos cerámicos también ad-
quieren diferentes coloraciones en
fun ción de la relación de los diferen-
tes óxidos presentes en las arcillas,
por ejemplo, se obtiene el color ama-
rillo, marrón claro y oscuro cuando
se da la relación Fe
2
O
3
:CaO = 0,6:0,8
y da color amarillo brillante y amari-
llo, para Fe
2
O
3
:CaO = 0,5:0,6. Los
óxidos de manganeso proporcionan
el color naranja y el color negro.
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En la Tabla 4, se muestra el análisis
cuantitativo mineral, obtenido a par-
tir de los difractogramas de rayos x de
los minerales seleccionados para este
estudio (fracción < 45μm). Se mues-
tra las fases cristalinas identificadas y
se presenta el análisis mineralógico
cuantitativo a partir de los tenores de
óxidos que componen químicamente
cada una de las muestras arcillosas
(Tabla 3), de la determinación las di-
ferentes fases
cristalinas y los consti-
tuyentes (óxidos) que componen
estas fases (teoría). Este análisis per-
mitió realizar la aproximación teórica
de las proporciones de los minerales
presentes, notándose principalmente
que en la arcilla AR-BO-15-01 pre-
domina la proporción de fase caoli-
nítica respecto de la arcilla
AR-PI-15-01, hecho asociado a la im-
portante pérdida al fuego que posee
la arcilla AR-BO-15-01. Así como, las
proporciones importantes de hidratos
de hierro, la poca o nula presencia
de calcita y la aproximación por ajus-
tes de
sustancias como los compues-
tos orgánicos (Nayak & Singh, 2007).
Tabla 4: Análisis mineralógico cuantitativo por DRX de minerales arcillosos
de la Sierra de Ecuador
MINERALES ARCILLA ARCILLA ARENOSA ARENA
(AR-BO-15-01) (AR-PI-15-01) (SI-CH-15-01) (SI-PI-15-01)
Muscovita 5,66 7,12 —— ——
Albita 16,43 13,73 5,57 ——-
Caolinita 24,9 14 —— ——-
Illita 20,1 16,48 7,99 ——
Calcita 1,04 ——- —— ——
Sílice Libre 25,36 35,64 78,35 88,44
Goethita 3,16 4,22 2,69 6,27
Ilmenita 1,04 0,91 4,95 4,84
Materia Orgánica 2,31 7,90 1,45 0,45
Siguiendo el procedimiento descrito
en la Norma ASTM D-4318 para la
determinación del nivel de plastici-
dad de una muestra mineral, donde
se especifica el límite líquido (LL) de-
terminado por el método de Casa-
grande y el límite sólido (LS)
determinado por el ensayo de consis-
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tencia. El índice de plasticidad (IP) se
obtiene por diferencia entre los lími-
tes anteriores, este permite determi-
nar las proporciones de agua
necesarias para obtener una pasta
plástica de óptima trabajabilidad. En
la Tabla 5 se pueden observar los
datos obtenidos para los límites líqui-
dos y plásticos de cada muestra.
Tabla 5. Determinación de los Límites de Atterberg
de minerales arcillosos de la Sierra de Ecuador
Límites de
Materias Primas
Atterberg
Pasta Arcilla Arcilla
comercial AR-PI-15-01 AR-BO-15-01
Límite Líquido (LL) 38,0 40,0 47,5
Límite Plástico (LP) 20,5 22,9 27,6
Índice de
Plasticidad (IP)
17,5 17,1 19,9
El Diagrama de Casagrande permite
visualizar cómo las arcillas AR-PI-15-
01 y AR-BO-15-01 y de una mezcla
patrón se sitúan en la zona corres-
pondiente de mediana plasticidad
(30 < LL < 50 y 5 < LP < 25). La ar-
cilla AR-BO-15-01 presenta el com-
portamiento típico de una pasta de
mayor plasticidad, que no se puede
secar en ciclos cortos, asociada a una
mayor contracción, lo que indica el
uso de un ciclo de secado delicado.
La curv
a de Bigot, que se muestra en
la imagen de la Figura 4, muestra un
ejemplo el comportamiento al se-
cado de una mezcla de materias pri-
mas arcillosas (70 % Arcilla (AR-PI-
15-01) / 30 % Arenosa (SI-CH-15-
01)), bajo condiciones controladas
de temperatura y humedad relativa.
Esta imagen, nos permite evaluar la
evolución de la contracción que su-
fren las piezas en función de las pér-
didas de humedad, mediante la
medida simultánea
de las longitudes
y las variaciones de peso a intervalos
de tiempo de secado determinados,
una vez sometidas las probetas de
ensayo al proceso de secado a 120
°C por más de 24 horas. condiciones
controladas de temperatura y hume-
dad relativa del 70 %.
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Se puede observar para la Mezcla
70/30 que el avance de la contrac-
ción es más débil que la perdida de
humedad, notándose adicionalmente
que la desviación de la curva con res-
pecto al punto de corte es mínima, lo
cual significa que el secado se desa-
rrolla con gran uniformidad. Por con-
siguiente, esta mezcla en la práctica
in
dustrial no debería presentar pro-
blemas de secado, pudiéndose desa-
rrollar el proceso en ciclos excepcio-
nalmente cortos para materiales hue-
cos de poco espesor. La curva de
retractometría nos indica que bajo las
condiciones de secado establecidas
la Mezcla 70/30 presenta una pen-
diente de contracción muy suave en
función del tiempo, lo que corrobora
el buen comportamiento al secado
determinado en la curva de Bigot.
Figura 4. Curva de comportamiento al secado
de una mezcla de minerales arcillosos de la Sierra de Ecuador,
70 % Arcilla (AR-PI-15-01) / 30 % Arenosa (SI-CH-15-01)
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Las arcillas AR-BO-15-01 y AR-PI-15-
01 se sometieron a un ciclo de coc-
ción de 8 horas en horno eléctrico,
con un mínimo de permanencia de
media hora a la temperatura máxima
de cocción de 850-950-1050 °C, con
el objeto de determinar el intervalo
de cocción más adecuado en cuanto
las propiedades del producto que se
desea obtener, contracción, grados
de absorción de agua, pérdida al
fuego, resistencia mecánica a la fle-
xión y
color de quema. En la Tabla 6
se muestras los resultados de la eva-
luación de contracción lineal en seco
(CS), cocción (CC), contracción total
(CT) y pérdida al fuego (PF) de las
probetas realizadas por extrusión y
sometidas a tres ciclos de cocción
distintos. Se observa la mayor propor-
ción de pérdida al fuego para las pie-
zas obtenidas a partir de la arcilla
AR-PI-15-01, acompañados de la
misma tendencia
los valores de con-
tracción de las piezas, valores que
son coincidentes con los resultados
anticipados en el análisis mineraló-
gico e índice de plasticidad de las
materias primas utilizadas.
Tabla 6. Propiedades de las piezas cerámicas obtenidas de minerales arcillosos
de la Sierra de Ecuador
Perdida Contracción Contracción Contracción I RMF
Cocción al fuego Secado Cocción Total
(%PF) (%CS) (%CC) (%CT)
(%) (kg/cm
2
)
ARCILLA (AR-BO-15-01)
850 °C 6,92 ± 0,61 8,20 ± 0,28 0,27 ± 0,06 8,48 ± 0,27 16 ± 2 75 ± 8
950 °C 7,81 ± 0,72 8,15 ± 0,10 0,33 ± 0,10 8,47 ± 0,09 15 ± 1 125 ± 11
1050 °C 8,12 ± 0.25 8,11 ± 0,21 1,02 ± 0,28 9,13 ± 0,18 12 ± 2 151± 15
ARCILLA (AR-PI-15-01)
850 °C 9,55 ± 0.20 8,48 ± 0,31 0,36 ± 0.07 8,84 ± 0,32 14 ± 3 120 ± 10
950 °C 10,77 ± 0,57 8,42 ± 0,47 0,62 ± 0,11 9,04 ± 0,52 12 ± 1 160 ± 20
1050 °C 13,45 ± 0,41 8,46 ± 0,07 4,62 ± 0,57 13,08 ± 0,58 6 ± 2 213
± 18
Índice de absorción (I %) ; Resistencia mecánica a la flexión (RMF kg/cm
2
)
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En todos los casos las piezas cocidas
poseen Índice de Absorción muy por
debajo de los límites de absorción
máximos permitidos de 18 % para
Tejas y 20 % para Ladrillos. La resis-
tencia mecánica a flexión en seco es
del orden de 35 ± 5 kg/cm
2
, por de-
bajo de los 20 kg/cm
2
suele ser carac-
terística de arcillas magras y baja
plasticidad en las que el secado se
desarrolla con rapidez y sin proble-
mas. Resistencias entre 20 y 60
kg/cm
2
pueden considerarse norma-
les y por encima de los 60 suelen ser
características de arcillas muy plásti-
cas en las que el secado puede resul-
tar problemático.
Asimismo, las arcillas evidencian va-
lores de resistencia mecánica supe-
riores a los mínimos establecidos por
las normas (80 kg/cm
2
para tejas y 50
kg/cm
2
para bloques).
Finalmente, para complementar los
ensayos anteriores, es recomendable
en función del uso que se le dará al
mineral arcilloso realizar ensayos de
caracterización térmica. Se otorgará
prioridad a aquellas variables que
sean más sensibles a los cambios fisi-
coquímicos del material arcilloso y
que influyan más sobre el proceso de
fabricación y la calidad del producto
acabado. El número de parámetros
especializados de calidad a determi-
nar podrá reducirse o ampliarse en
función de las características fisico-
químicas de las materias primas. Ade-
más, no será siempre necesario rea-
lizar todos los ensayos, sino que, en
cada ocasión, se determinarán única-
mente aquellos parámetros que se
consideren más oportunos, depen-
diendo de la información que propor-
cionen o del problema que en ese
momento se pueda presentar (Guillén
et al., 2012).
Para la caracterización térmica se uti-
lizan tres
tipos de análisis: el análisis
térmico diferencial (ATD) para deter-
minar la descomposición térmica de
los minerales, a una velocidad de ca-
lentamiento de 5 ºC por minuto, bajo
una atmósfera controlada con nitró-
geno o en atmosfera oxidante; el aná-
lisis térmico gravimétrico (ATG), que
permite determinar simultáneamente
a la descomposición térmica, las pér-
didas de peso asociadas a las trans-
formaciones o reacciones químicas;
el análisis dilato
métrico lineal (DTL)
para determinar los cambios dimen-
sionales asociados a las transforma-
ciones de los minerales presentes
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durante el calentamiento; el análisis
por dilatometría presenta eventos im-
portantes de expansión y contracción
térmica en el mineral, asociados al
cambio energético ocurrido durante
el calentamiento de la muestra.
Las arcillas presentan un excelente
comportamiento a la cocción, algu-
nas de las piezas adquirieron la tona-
lidad roja característica de las piezas
de alfarería, una proporción de pér-
dida al fuego y valores de contrac-
ción, absorción y resistencia mecáni-
cas adecuados para estos productos.
CONCLUSIÓN
El protocolo revisado permite obte-
ner datos importantes para evaluar la
factibilidad de uso de las arcillas,
como potenciales materias primas
dentro de composiciones de pastas
para la elaboración artesanal/indus-
trial de productos cerámicos. En lo
especifico se determinó para los mi-
nerales arcillosos de la Sierra de
Ecuador que las arcillas presentan
bastante homogeneidad
en cuanto a
su constitución a granel, excelente
sensación al tacto, lo que evidencia
el importante margen de trabajabili-
dad plástica que poseen las arcillas.
Las pastas elaboradas alcanzaron el
nivel de consistencia de conformado
adecuado, con una proporción de
humedad de conformado del orden
del 25 %. No se detectaron conteni-
dos importantes
de carbonatos, ni de
materia orgánica en las arcillas, lo
que favorece que no se produzca la
aparición de defectos, como los gru-
mos de cal o corazón negro. Por úl-
timo, cabe destacar que las arcillas
presentan un excelente comporta-
miento a la cocción y, en síntesis,
esta evaluación anticipa a nivel de la-
boratorio el potencial de uso de estos
minerales.
Los autores agradecen al Vicerrecto-
rado de Investigación y Proyección
Social de
la Escuela Politécnica Na-
cional por el apoyo y financiamiento
prestado a través del proyecto PIS 16-
13: “Optimización tecnológica de
productos cerámicos industriales y/o
artesanales del Ecuador”.
AGRADECIMIENTOS
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