TECNOLOGA DE LOS MATERIALES Cap1 Propiedad de los Materiales

TECNOLOGA DE LOS MATERIALES Cap1 Propiedad de los Materiales

CAPTULO 1 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES 1.1 GENERALIDADES Materiales de construccin, son todas aqullas sustancias o elementos bsicos que se utilizan para la ejecucin de obras civiles. En este curso seabordarn, principalmente los materiales utilizados en la consecucin de elementos o sistemas estructurales de edificaciones y de obras de infraestructura tales como carreteras. As, se tratarn las rocas y los agregados ridos, tambin diferentes materiales cementantes, el agua en su rol de hidratacin y para asegurar la trabajabilidad, se estudiarn los variados elementos de albailera como el adobe, el ladrillo de arcilla, el ladrillo slico calcreo, los bloques de concreto; finalmente se tratan la madera, el acero y los polmeros. Materiales de acabados utilizados en las edificaciones y otros no se incluyen en esta seccin.

Agregado de ro cemento portland tipo V ladrillo tipo pandereta varillas de aceroDesde pocas primitivas, con el australopithecus del paleoltico se ha ido evolucionanado tantro en creacin de nuevas tecnologas as como en la utilizacin de nuevos materiales de construccin. Los cambios y la innovacin de la historia del hombre ha tenido hitos fundamentales desde el neoltico, pasando por la edad de bronce, la de hierro, del acero, de los polmeros actualmente.Se utilizan materiales prcticamenete en el estado natural que se encuentran en la corteza terestre ( la Tierra se form hace unos 4500 millones de aos conjuntamente con el sistema solar, el big bang data de unos 13 500 millones de aos) hasta materiales muy elaborados y caros en consumo de combustible tales como los cementos, los aceros y los polmeros.

Cuenca andina fluvial fabricacin de polmeros

La Ciencia de los materiales se interesa en los conocimientos fundamentales sobre la estructura interna, su fabricacin y las propiedades de los materiales mientras que la tecnologa de los materiales se centra en las posibilidades y limitaciones de aplicacin de los mismos. No siempre las fronteras de esta disciplinas estn claramente establecidas. Hay materiales que se fabrican hasta muy artesalmente mientras otros requieren costosas infraestructuras y precisiones muy estrictas para su elaboracin.De una u otra manera que se realizara la evolucin en el uso y conocimiento del materiasl, es importante entender la interrelacin entre los que es la conformacin del material, sus propiedades, su forma de fabricacin y sus aplicaciones. La evolucin del hombre ha mostrado que de las aplicaciones del material de ha pasado a su fabricacin y conociminto, en otros casos se han ido mejorando las propiedades y se han ido reemplazando los utensilios y las herramientas de piedra por los de los metales, por ejemplo. Los metales tienen estructura cristalina con tomos dispuestos en manera ordenada, son buscados por sus resisitencias mecnicas, durabilidad y ductilidad. Por su parte los polmeros estn formados por largas cadenas de monmeros con molculas orgnicas y estructuralment la mayoria no son cristalinos [ 1 ]; algunos de ellos son buenos aislantes, otros son males conductores de la electricidad y en relativamente presentan bajas densidades y bajas temperaturas de reblandciminto. Los materiales cermicos son sustancias inorgnicas con elementos metlicos y no metlicos unidos qumicamente.Presentan estructura cristalina, no cristalina o mezcla de ellas. Muchos de ellos tienen alta dureza y elevadas resistencias, bajo peso, propiedades aislantes y risitencia al desgaste.

Estructura cristalina del hierro para alearse con un Estructura cristalina del alfa cuarzo Jaspe verde con est. no cristalinaBajo y mx. 2.1% de carbono y originar el acero

La estructura y la composicin de los materiales dfinen las caractersticas y propiedades de ellos y, stas ltimas a su vez, se consideran como requerimientos al momento de la fabricacin, todo ello dado que los diferentes materiales de construccin se utilizan en funcin a propiedades y caractersticas definidas.. 1.2 PROPIEDADES DE LOS MATERIALESEstas propiedades estn clasificadas en diferentes catgorias, tales como las fsicas, qumicas, mecnicas, pticas, elctricas, acsticas, trmicas, entre otras. La disponibilidad del recurso o del material para la construccin, el diseo de elementos o sistmas, la necesidad de determinadas formas o dimensiones hacen que algunos materiales se les busquen por determinadas propiedades en particular sin interesaer mucho las otras1.2.1 Propiedades fsicasEntre stas tenemos las siguientes que por lo general son objeto de ensayos

i) Forma y tamao.-Su conocimiento es aplicable no solo con fines estrictamente comerciales ( como se venden) sino tambin al momento del diseo de los elemtos elaborados con ellos. Por ejemplo es requisito conocer la forma de la piedra ( redondeada o angular) en el diseo de mezclas de concreto; el diseo dela longitud del empalme del acero de refuerzo de columnas, por ejemplo, es funcin del dimetro y, la ubicacin del empalme tambin depende de la longitud de la varilla existente en el mercado (en nuestro medio: barras de 9 m de largo y 3/8 , 1/2 , 5/8 , etc. de dimetro)

ii) Porosidad.- Referido al contenido de vacios que existe en el material, se expresa en %. No se considera este concepto en los metales que son slidos y compactos pero si es importante la porosidad intergranular en los materiales fracccionados (definen el contenido de humedad en las arenas) o la porosidad de los slidos ( como en el caso del ladrillos por su capacidad de absorver el agua de mezcla del mortero).

La deduccin de frmulas prcticas se realiza consderando en un cuerpo:Vap= Volumen aparente (limitado por las dimensiones del slido o el volumen del recipiente que contiene el cuerpo)Vab = Volumen de materia slida (ocupado por la materia)Vh= Volumen de huecos o vacosEntonces se expresa: V h = Vap VabComo la Porosidad se define como el% de vacos, reemplazando se tiene

Porosidad = 1- (Vab / Vap)El trmino (Vab / Vap) se denomina compacidad, es decir representa la cantidad de materia slida contenida en el volumen aparente. En el caso del acero la compacidad es 100% por lo que la porosidad es igual a cero. En el caso del ladrillo de arcilla existen poros o vacios( que definirn la absorcin) por lo que la porosidad ser variable en funcin de cada tipo o marca de ladrillo por ejemplo. En el caso del material fraccionado (piedra chancada por ejemplo) la porosidad es funcin del acomodo de las partculas individuales conseguidas por un determinado proceso de compactacin.iii) Peso Volmetrico (PV).- Se define como la relacin del peso del material (en Kg) con respecto al volumen aparente ( volumen del slido o del recipiente que lo contiene en caso de material granular, en m3). Se denomina tambin Peso Unitario, se obtiene mediante un ensayo simple y puede definirse el peso unitario compactado, suelto, seco o hmedo segn en que estado se encuentre el material.

As se tiene en (kg/m3):

iv) Peso espcfico absoluto .- Se define igualmente como la relacin del peso del material con respecto al volumen absoluto o volumen slido. Este valor se compara con el peso especfico del agua ( 1 gr/cc) y entonces se denomina simplemente peso especfico, es un valor adimensional.As se tiene en ( gr/cc): Peso especfico absoluto= Peso del material / VabPor consiguiente: Peso especfico (Pe) = Peso especfico absoluto/ 1 gr/cc Pe = Peso del material / Vab

v) Relaciones P, Pe, PV

A partir de la expresin de la Posrosidad y considerando factor de conversin entre Kg/m3 y gr/cc se tiene:

Simplificando:

De esto se observa que a partir de ensayos de laboratorio se obtiene fcilmente los valores del PV, del Pe y finalmente se puede calcular la porosidad.Aplicacin: Pesar unos 100gr de arena y luego vertirla en un recipiente graduado para determinar el volumen. Calcular el PV. Suponiendo un Pe de 2.7 determinar la porosidad

vi) Contenido de humedad (CH).- En los suelos y en los materiales de construccin, el CH es la cantidad de agua que contiene el material en un momento determinado y se expresa en porcentaje (%) en relacin a su peso seco. El peso seco se puede obtener manteniendo el material en un horno a 110C durante 24 horas y verificando que en dos pesadas sucesivas no haya diferencia significativa de pesos. La denominada absorcin o porcentaje de absorcin %Abscorresponde a la mxima cantidad de agua que el material puede contener presentado la superficie exterior seca ( caso de agregados) o no mostrando variacin de volumen ( caso de la madera).Aplicacin: Remojar en agua una cantidad de arena y luego secarla mediante algn procedimiento vlido. Calcular el CH (%) segn definicin anterior.

vii) Permeabilidad.- Es la capacidadque presenta un material o cun cuerpo para dejar pasar un fluido (lquido o gas) sin alterar su estructura interna en un tiempo determinado en presencia de una diferencia de presiones. Depende de la porosidad, de la diferencia de presiones y de la viscosidad del fluido. Para fines prcticos, consierando constante el tipo y espesor del material as como el tiempo de medida, la permeabilidad depende de la diferencia de presiones, las caractersticas de la porosidad ( tamao, conectividad y tortuosidad) y la temperatura. La permeabilidad se expresa cm2 o en miidarcys; tambin s expresa en cantidad de flujo que lo atraviesa; ste se expresa en caudal o en velocidad.

La permeabilidad al agua es un parmetro a definir cuando se estudian los suelos, tambin cuando se disean concretos en obras hidarlicas, entre otros muchos casos. Materiales con muy bajos ndices de permeabilidad se consideran impermeables ( se especifica en caso de concretos para tanques de agua, cisterna, canales, etc). Hay rocas permeables como la caliza y arenisca (10 -5 cm2 o 10+6 milidarcys) y otras practicamente impermeables como la arcilla, el granito sano (10 -14 o 0.001 milidarcys) . La permeabilidad en suelos se cuantifica a partir de la ecuacin de Darcy expresandose como Q=Kp*I*Aen la que Q=caudal (cm3/h); Kp=permeabilidad (cm/h;I= gradiente piezomtrico (m/m)A=Seccin transversal de filtracin (cm2).

La impermeabilidad a los gases se requiere cuando se debe garantizar el confinamiento de gases ; por ejemplo gases radioactivos en las centrales nucleraes (crisis en C.N. Fukushima 2011, terremoto en Japn)

viii) Capilaridad.- Es la capacidad del lquido de propagarse por un material sin que exista una diferencia de presiones como en el caso de la permeabilidad. El fenmeno se explica por la diferencia existente entre las fuerzas de la tensin superficial o cohesin intermolecular del lquido con las fuerzas de adhesin de ste con el material. En el caso del agua en un tubo de prueba, el agua sigue subiendo hasta que se equilibra la tensin superficial con el peso de la columna de agua ( el peso de la columna de agua es proporcional al cuadrado del radio del tubo), el menisco en cncavo dado que la tensin superficial es menor que la adhesin del agua a la pared del tubo: menisco convexo se observa en el caso del mercurio.El fenmeno de la capilaridad explica el por qu se moja los terrones de azcar al ms ligero contacto con el caf ( el caf que se toma en el desayuno), explica por qu la humedad sube por los muros de adobe o ladrillo poroso ( muy pequeos radios de los nanoporos) y causa su degradacin acelerada en presencia de sales en los suelos, la capilaridad contribuye parcialmente al trnsito de la savia por los vasos leosos de los rboles (igualmente con poros muy pequeos).Preguntas de repaso: 1) el agua asciende menos en tubos cuyos radios son pequeos? 2) los termmetros de mercurio o los termmetros digitales utilizan el principio de la capilaridad? 3) la palabra termmetro proviene del latin thermos: caliente y metro: medir? 4)

ix) Higroscopia.- Este fenmeno explica la capacidad de determinados materiales de absorber o ceder agua o humedad del medio ambiente, en algunos casos con variacin de volumen. Por ejemplo el cloruro de calcio (Cl2 Ca), el cloruro de sodio o sal comn (ClNa), hidrxido de sodio (Na OH) El agua as obtenida puede combinarse quimicamente con el material, pude quedar atrapada como agua de hidratacin en la estructura cristalina ( caso del sulfato de sodio ) o quedar como agua adsorbida fisicamente, en estos dos ltimo casos, la retencin es reversible. Son materiales hidroflicos y se usan, algunos de ellos, como desecantes.El contenido de humedad de equilibrio se define como la humedad ambiental para la cual el cuerpo no absorbe ni pierde agua; si la humedad ambiente es menor el curpo se secar, si es mayor el cuerpo se humedecer. El cloruro de calcio seutiliza como desecante pues su humedad de equilibrio es muy alta. En el caso de la madera habilitada hmeda es necesario esperar llegar a la humedad de equilibrio antes de utilizarla para no tener problemas de variaciones dimensionales ( el carpintero siempre espera esta condicin para hacer su trabajo y no tener rajaduras en las puertas, por ejemplo)1.2.2 Propiedades mecnicasSe refieren al comportamiento de los materiales cuando sobre ellos se aplican fuerzas o solicitaciones que producen deformaciones. La curva esfuerzo- deformacin s-erepresenta el comportamiento de estos materiales ante solicitaciones bsicas de traccin o de compresin y se utilizan para fines de anlisis y diseo. Las fuerzas se aplican sobre superficies resistentes lo cual da lugar a la definicin de esfuerzos; s= Fuerza / rea . De forma prctica se utiliza todava en nuestro medio las unidades de kg/ cm2 . En el Sistema Internacional de Unidades -SI se emplea el newton N (kg.m s-2) para las fuerzas y el pascal Pa ( N.m-2) para los esfuerzos. ( Blaise Pascal, 1623-1662, matemtico, fsico y filsofo francs). Las unidades utilizadas: 1 Pa = 10-5 bares; 1 megapascal 1 MPa = 106 Pa1 MPa = 1 N /mm2= 10.2 kg(cm2) = 10 bares

i) Resistencia.- Es la capacidad que presenta un material o un cuerpo para no dejarse deformar por efecto de una solicitacin aplicada.Se estudian los slidos deformables mediante modelos simplificados. La resistencia es la oposicin que manifiesta el cuerpo a variar sus distancias intermoleculares.

ii) Curva esfuerzo- deformacin s-e:Son modelos que representan el comportamiento del material o elemento sujeto a la accin de solicitaciones. El esfuerzo s es igual a la carga dividida entre el rea superficial donde actua la carga; la deformacin unitaria e se obtiene diviniendo a cada momento del ensayo la deformacin medida (mm) entre la longitud inicial (lo) definida en el especimen ( en el acero lo = 30 cm)Midiendo la deformacin conforme la carga aplicada aumenta se puede graficar la curva.

En estas curvas se puede estudiar diferentes conceptos tales como:

elasticidad: capacidad del material de sufrir deformaciones reversibles y recuperar sus dimensiones originales cuando la solicitacin cesa totalmente.plasticidad: capacidad del cuerpo de sufrir deformaciones permanentes sin llegar a la rotura o colapso. Tambin puede entenderse como el aumento de la deformacin sin aumento de la carga.Diagrama del acero en traccin Ensayo en traccinComportamiento lineal:cuando existe relacin proporcional entre esfuerzos y deformaciones unitarias . Se aplica la ley de Hooke (fsico britnico, 1635-1703) que se expresa por s= Eeen la cual Ees la constante de proporcionalidad o Mdulo de Elasticidad Mdulo de Elasticidad(E) o Mdulo de Young,representa la velocidad de variacin de la deformacin unitaria. En el digrama s-e se mide como la tangente a la curva en el origen. Para el caso del concreto normal Ec promedio es igual a 210 000 kg/cm2 ; para el caso del acero grado 60 el Ea es igual a 2 100,000 kg/cm2 El mdulo elastico se mide en ensayos de laboratorioLmite de elasticidad:esfuerzo mximo hasta el cual el material se comporta elsticamente. Ms all de este esfuerzo se entra en la zona de comportamiento no elstico o plstico. Es el lmite fijado para el llamado diseo por esfuerzos permisibles. En el caso del acero se denomina punto de fluenciay su valor es de 4200 kg/cm2para los aceros grado 60 ( 60 ksi de fy)Comportamiento no lineal: cuando no existe proporcionalidad entre esfuerzos y deformaciones. La zona del diagrama esfuerzo-deformacin es una curva.Fragilidad: son los materiales que presentan una pequea deformacin al momento de roturaTenacidad: capacidad relativa de deformacin que tiene un material para un nivel determinado de carga ( para un mismo novel de carga, un materia es ms tenza que otro). Tamnin se define como la relacin, a un mismo nivel de carga, entre la deformacin a ese nivel de carga con respecto a la deformacin a la rotura.Maleabilidad: capacidad del material de poder deformarse de manera permanente pero sin llegar a la rotura; tambin se define como la capacidad para transformarse en delgadas lminasDuctilidad:en trminos de la tecnologa de los materiales se define como la capacidad de estirarse delgados hilos; en trminos de la ingeniera sismorresistente la ductilidad en la propiedad de los materiales de presentar altas deformaciones antes de la rotura..

Diagrama del concreto en compresin Materiales termoplsticos en traccin

AYUDA MEMORIA DE ENSAYOS

NTP 400.010 2001 AGREGADOS: EXTRACCIN Y PREPARACIN DE LAS MUESTRASOBJETO: Establece los procedimientos del muestreo del agregadode manera que denoten la naturaleza y condiciones del material al cual representan.TAMAO DE LA MUESTRA: Depende del tamao de las partculas del agregado. Considerar lo siguienteTMN (mm)2.364.76 ( No 4)9.5 (3/8)12.5 (1/2 )19 (3/4 )25 (1)

Masa de la muestra (kg)101010152550

SELECCIN POR EL MTODO DEL CUARTEO: Seguir los siguientes pasos:1.- Esparcir uniformemente la muestra sobre el piso conformando un crculo2.- Con la ayuda de una pala separar en cuatro partes iguales la muestra(cuatro cuadrantes)3.- Tomar el material de dos cuadrantes opuestos, mezclar y repetir el paso 14.- Tomar el material necesario para el ensayo

ENSAYO PARA DETERMINAR EL PESO UNITARIO DEL AGREGADOProcedimiento:Primero se pesa en la balanza elctrica el depsito de volumen conocido que se utilizar (1/3 pie3 o pie3)Segundo Se llena el recipiente en tres capas iguales compactando cada una de ellas con una varilla de 5/8 dndo 25 golpes. Los golpes se aplican en espiral sin golpear el fondo del recipiente durante la compactacin Compactacin con 25 golpes en espiralde la 1ra capa; para la segunda y la tercera capa la varilla debe llegar a comprometer la capa inferior.Tercero. Se pesa en la balanza elctrica el recipiente lleno Cuarto. Se realizan los clculos respectivos; se deber restar el peso del recipiente vacio del valor obtenido en el paso tercero.

Enrasado del recipiente con la varillaDatos: Peso del recipiente vacio: Volumen del recipiente;Peso del recipiente lleno: Peso material compactado: Clculos:PU =

Javier E Arrieta FreyrePgina 1