protafolio de ciencia de los materiales 2015
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UNIVERSIDAD ESTATAL DEL SUR DE MANABÍCreada mediante Registro Oficial Nº 261 del 7 de Febrero de 2001
UNIDAD ACADÉMICA DE CIENCIAS TECNICAS
CARRERA DE INGENIERÍA CIVILASIGNATURA:
CIENCIA DE LOS MATERIALES
PORTAFOLIO
DOCENTE:
ARQ. BETSY FIENCO SÁNCHEZ
INTEGRANTES:
PINCAY NONURA ÉDISON EDUARDO
LINO PIONCE BYRON ALFREDO
GUARANDA CAJAPE JASÓN NIXON
NIVEL:
SEGUNDO SEMESTRE A1
PERIODO:
MAYO – NOVIEMBRE 2015
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UNIDAD ACADÉMICA DE CIENCIAS TECNICAS
CARRERA DE INGENIERÍA CIVILASIGNATURA:
CIENCIA DE LOS MATERIALES
PORTAFOLIO
DOCENTE:
ARQ. BETSY FIENCO SÁNCHEZ
INTEGRANTES:
PINCAY NONURA ÉDISON EDUARDO
LINO PIONCE BYRON ALFREDO
NIVEL:
SEGUNDO SEMESTRE A1
PERIODO:
MAYO – NOVIEMBRE 2015
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
ÍNDICE
Introducción...........................................................................................................................................7
Objetivo general:....................................................................................................................................8
Objetivos específicos:.............................................................................................................................8
Unidad 1.................................................................................................................................................9
1. INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES...........................................................................9
1.2 ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. .......................................................16
1.2.1. ESTUDIO DE LA ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES....................................................................19
1.2.2 MATERIALES CRISTALINOS...........................................................................................................21
1.2.3 Materiales Amorfos....................................................................................................................23
1.2.4 Materiales semicristalinos...........................................................................................................26
1.2.5 Estudio de la relación entre la estructura y las propiedades.......................................................31
1.2.6 Estudio del procesamiento de los materiales..............................................................................33
Estructura.......................................................................................................................................42
Clasificación...................................................................................................................................43
Materiales Compuestos reforzados con partículas...............................................................43
1.3 EL SUELO........................................................................................................................................45
1.3.1 CLASIFICACION DEL SUELOS........................................................................................................48
Por características físicas.....................................................................................................49
Clasificación de los suelos...................................................................................................49
Estructura del suelo....................................................................................................................53
1.3.2 CIMENTACIÓN.............................................................................................................................54
Tipos de cimentación....................................................................................................................56
Cimentaciones superficiales o directas......................................................................................56
Cimentaciones ciclópeas..............................................................................................................57
Zapatas aisladas............................................................................................................................58
Zapatas corridas............................................................................................................................59
Zapatas combinadas.....................................................................................................................59
Losas de cimentación...................................................................................................................60
Cimentaciones semiprofundas.....................................................................................................61
Cimentaciones profundas.............................................................................................................61
Cimentaciones de máquinas........................................................................................................62
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL1.3.3 Gravas..........................................................................................................................................62
Aplicación.......................................................................................................................................63
Obtención.......................................................................................................................................64
Áridos-Arena molida Mortero 0,3 mm.........................................................................................66
Áridos-Arena Lavada Hormigón 0/4 mm....................................................................................66
1.4 MATERIALES PÉTREOS UTILIZADOS EN LAS OBRAS Y EDIFICACIÓN................................................69
Clasificación...................................................................................................................................69
1.4.1 Tipos de rocas..............................................................................................................................70
1.4.2 Ciclo litológico.............................................................................................................................73
EL CICLO.......................................................................................................................................74
Transición a ígneas.......................................................................................................................74
Transición a metamórfico.........................................................................................................75
Transición a sedimentaria........................................................................................................76
1.4.3 Utilidades de las rocas: tajadas, terraplenes, enroscamiento, terraplenes de roca....................76
Partes de unos terraplenes..........................................................................................................77
1.4.4. Yeso............................................................................................................................................77
Etimología.....................................................................................................................................78
Afloramientos yesíferos.............................................................................................................78
Usos del yeso triturado..............................................................................................................81
1.4.4.1 Naturaleza del yeso..................................................................................................................82
1.4.4.2 Proceso de fabricación.............................................................................................................84
Mezclado....................................................................................................................................85
1.4.4.3 Propiedades del yeso................................................................................................................86
1.4.4.4 Ensayos del yeso.......................................................................................................................88
1.4.4.5 Utilización del yeso...................................................................................................................92
1.5 Cales.............................................................................................................................................94
Construcción............................................................................................................................96
1.5.1 Utilización de las cales.................................................................................................................97
En el sector de la agrícola.....................................................................................................97
En el sector de industrial.......................................................................................................97
1.5.2 Proceso de fabricación................................................................................................................98
1.5.3 Propiedades de las cales............................................................................................................100
1.5.4 Ensayos de las cales...................................................................................................................101
1.5.5 Clasificación...............................................................................................................................103
UNIDAD 2...........................................................................................................................................104
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL2. Conglomerantes Hidráulicos..........................................................................................................104
2.1 Cementos.....................................................................................................................................105
2.1.1. Constituyentes del cemento.....................................................................................................106
2.1.2 Fabricación del cemento...........................................................................................................108
2.1.3 Clasificación de los Cementos....................................................................................................111
2.1.4 Comportamiento de los cementos............................................................................................118
2.1.5 Propiedades del cemento..........................................................................................................119
Propiedades físicas del cemento de aluminato de calcio..................................................121
2.1.6 Empleo del cemento..................................................................................................................123
2.2 MORTEROS Y HORMIGONES........................................................................................................125
2.2.1 Diferencia entre hormigón y mortero.......................................................................................130
2.2.2 Componentes del Hormigón......................................................................................................130
2.2.3 Dosificación del hormigón.........................................................................................................132
2.2.4 Fabricación del Hormigón.........................................................................................................136
2.2.5 Propiedades del hormigón fresco..............................................................................................138
2.2.6 Trasporte del Hormigón............................................................................................................140
2.2.7 PUESTA EN OBRA Y CONSOLIDACIÓN DEL HORMIGÓN...........................................................143
2.2.8 Normativas................................................................................................................................146
2.2.9 Hormigones especiales..............................................................................................................149
2.2.10 Hormigón armado y pretensado.............................................................................................152
2.2.11 Prefabricados a base de cemento...........................................................................................153
2.3. MATERIALES CERÁMICOS...........................................................................................................155
2.3.1 NATURALEZA Y MATERIAS PRIMAS...........................................................................................158
2.3.2. Proceso de fabricación.............................................................................................................161
2.3.3. Propiedades de los materiales cerámicos.................................................................................168
2.3.4 Utilización de los materiales cerámicos.....................................................................................171
2.4 Vidrios.........................................................................................................................................173
2.4.1 Estructura, composición y clasificación de los vidrios...............................................................176
2.4.2 Proceso de fabricación..............................................................................................................179
2.4.3 Propiedades...............................................................................................................................182
Propiedades ópticas.....................................................................................................................184
2.4.4 Aplicaciones y utilizaciones del vidrio........................................................................................186
2.5 Materiales metálicos....................................................................................................................197
2.5.1 Generalidades: metalurgia y siderurgia.....................................................................................198
2.5.2 Propiedades Metálicas..............................................................................................................199
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL2.5.3. Procesos generales metalúrgicos.............................................................................................202
2.6 El acero y sus alcances..................................................................................................................207
2.6.1. Características mecánicas y tecnológicas del acero..................................................................215
2.6.2 Propiedades físicas y químicas..................................................................................................222
2.6.4 Protección del acero.................................................................................................................224
2.7 MATERIALES BITUMINOSOS........................................................................................................226
Tipos..............................................................................................................................................227
Betunes.....................................................................................................................................227
Alquitranes................................................................................................................................232
Transporte y almacenamiento de los betunes asfálticos.......................................................233
2.7.1GENERALIDADES, EVOLUCIÓN DE SUS APLICACIONES...............................................................237
2.7.2 Clasificación y mezclas asfálticas...............................................................................................238
2.7.3 EMPLEO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EN LA CONSTRUCCIÓN.......................................................240
Propiedades requeridas..............................................................................................................241
Fórmulas de mezcla....................................................................................................................241
Degradación Y Restauración Del Hormigón Asfáltico............................................................243
Prevención Y Reparación De Mezclas Asfálticas...............................................................244
2.8 Pinturas, siliconas, resinas epóxicas, plásticas y polímeros.......................................................245
2.8.1 POLÍMEROS.........................................................................................................................246
2.8.2 Materiales de sellado................................................................................................................247
Selladores de silicona..............................................................................................................248
Selladores de poliuretano.......................................................................................................248
Selladores acrílicos..................................................................................................................249
2.8.3 Propiedades de la pintura.........................................................................................................249
2.8.3.1 Comportamiento químico......................................................................................................251
2.8.3.2 Comportamiento físico...........................................................................................................252
2.8.3.3 Resistencia a la abrasión.........................................................................................................253
2.8.3.4 Clases de pintura....................................................................................................................255
2.8.3.5 Riesgos y normas sobre pinturas............................................................................................258
2.8.3.6 Pinturas y el medio ambiente.................................................................................................265
Unidad 3.............................................................................................................................................266
3. MATERIALES COMPUESTOS............................................................................................................266
3.1 TIPOS DE MATERIALES COMPUESTOS..........................................................................................266
Tipos.............................................................................................................................................266
Ladrillos de lodo........................................................................................................................267
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILConcreto......................................................................................................................................267
Fibra de vidrio............................................................................................................................267
Compuestos naturales.............................................................................................................267
Estructura....................................................................................................................................268
3.2. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES...........................................................................................269
Materiales compuestos reforzados con partículas.......................................................269
Materiales compuestos endurecidos por dispersión...................................................271
Materiales compuestos reforzados con fibras...............................................................271
Materiales compuestos estructurales..............................................................................273
Ejemplos de materiales compuestos...................................................................................274
Procesos de fabricación..........................................................................................................275
3.2.1Clasificación según la forma de los constituyentes....................................................................275
3.2.2 Clasificación según la naturaleza de los constituyentes............................................................276
3.2.3 Clasificación según el tamaño de la fase dispersa.....................................................................277
3.3 Aplicaciones y limitaciones de los materiales compuestos..........................................................278
3.4 Materiales compuestos de matriz orgánica..................................................................................281
3.4.1 FIBRAS.......................................................................................................................................287
3.4.2 Tipos de fibras...........................................................................................................................288
Fibras de acero......................................................................................................................288
Fibras de acero según proceso de fabricación..............................................................288
Fibras de acero según su forma........................................................................................288
Fibras poliméricas según proceso de fabricación...............................................................289
Fibras poliméricas según su diámetro..................................................................................290
3.6 Materiales compuestos de matriz inorgánica...............................................................................295
Bibliografía.........................................................................................................................................304
ANEXO................................................................................................................................................309
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UNIDAD ACADÉMICA DE CIENCIAS TECNICAS
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
Introducción
La Ciencia de Materiales se encarga del estudio de la preparación, los
conocimientos básicos acerca de la composición estructura cristalina y propiedades
físicas y químicas de los materiales, y de cómo adaptarlos a usos específicos.
La Ingeniería de Materiales tiene por objeto la aplicación de los conceptos básicos
sobre los materiales, de modo que estos puedan ser convertidos en productos útiles
a la ingeniería, y las construcciones.
El objetivo de esta orientación es proveer una capacitación intensiva en la
interrelación existente entre los materiales y sus propiedades, consolidando y
ampliando conocimientos tanto experimentales como teóricos, con énfasis en
metales, cerámicos y compositor. La finalidad de los cursos es por un lado dar una
formación experimental y teórica en la diversidad de materiales existentes en la
naturaleza, con una mayor profundización acorde a la tesis de maestría elegida, y en
segundo lugar estudiar aquellos fenómenos que permitan comprender las
propiedades de los materiales existentes y avanzar en la generación de nuevos
materiales.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
Objetivo general:
Es investigar la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales y
conviene matizar que la ingeniera es relacionada con las propiedades, estructura y
funcionamiento de estos materiales.
Objetivos específicos:
A base de estas investigaciones se conozca las relaciones estructura y
funcionamiento para proyectar o construir un proyecto a fin.
Conseguir que estos materiales se aplican en obras o maquinarias y en
herramientas diversas, o convertidos en productos necesario o requerido por
la sociedad.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
Unidad 1
1. INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES.
La Ciencia de Materiales se encarga del
estudio de la preparación, los conocimientos
básicos acerca de la composición estructura
cristalina y propiedades físicas y químicas de
los materiales, y de cómo adaptarlos a usos
específicos.
La Ingeniería de Materiales tiene por objeto
la aplicación de los conceptos básicos sobre
los materiales, de modo que estos puedan
ser convertidos en productos útiles a la ingeniería, y las construcciones.
El objetivo de esta orientación es proveer una capacitación intensiva en la
interrelación existente entre los materiales y sus propiedades, consolidando y
ampliando conocimientos tanto experimentales como teóricos, con énfasis en
metales, cerámicos y compositor. La finalidad de los cursos es por un lado dar una
formación experimental y teórica en la diversidad de materiales existentes en la
naturaleza, con una mayor profundización acorde a la tesis de maestría elegida, y en
segundo lugar estudiar aquellos fenómenos que permitan comprender las
propiedades de los materiales existentes y avanzar en la generación de nuevos
materiales.
Los materiales, a la hora de diseñar un componente, presentan diferentes
alternativas de entre las que debe seleccionarse como más adecuada la que resulte
de las consideraciones siguientes:
Que material reúne las propiedades físicas y químicas más adecuadas
Que material puede ser procesado con la forma y dimensiones diseñadas
Que material y proceso son los más económicos
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl material y proceso que más se ajuste a las tres condiciones citadas será el que el
ingeniero debe elegir.
Entre las actividades experimentales en desarrollo se incluye: la preparación y
caracterización de aleaciones formadoras de hidruros para almacenamiento de
hidrogeno y uso nuclear. El desarrollo de biomateriales para implantes quirúrgicos.
La investigación y desarrollo de cerámicas avanzadas y materiales porosos con
propiedades particulares (superconductividad, magneto resistencia colosal,
conductividad mixta) o aplicaciones específicas (soportes para catalizadores,
separación isotópica). Las propiedades mecánicas y de alta temperatura de
compositor de matriz metálica y sistemas con gradiente de composición. El
desarrollo tecnológico para la gestión y acondicionamiento de residuos nucleares e
industriales. El estudio de las transiciones de fase difusivas y no difusivas; efecto
memoria de forma. La preparación de materiales por aleado mecánico. La
determinación de los mecanismos de reacciones heterogéneas sólido-gas. Los
trabajos teóricos involucran el modelado de transiciones de fase en sistemas
metálicos, el modelado fisicoquímico y simulaciones computacionales de sistemas
metal-hidrógeno y el modelado fisicoquímico de reacciones sólido-gas.
Los materiales son necesarios para la fabricación de productos. En el diseño de un
objeto ha de emplearse el material que mejor se adapta a sus exigencias de uso y
que resulta más económico.
Es necesario conocer los tipos de materiales susceptibles de ser empleados.
El ser humano viene utilizando diversos materiales desde épocas ancestrales,
aprovechando los recursos disponibles de su entorno, como madera, arcilla,
metales, etcétera.
Para designar las edades prehistóricas los historiadores utilizan el nombre del
material que se usaba predominantemente en ellas.
Tetraedro de la ciencia de materiales, que refleja las diferentes disciplinas de esta
ciencia: Estructura, proceso, funcionamiento y propiedades.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILLa ciencia de materiales es el campo científico encargado de investigar la relación
entre la estructura y las propiedades de los materiales. Paralelamente, conviene
matizar que la ingeniería de materiales se fundamenta en esta, las relaciones
propiedades-estructura-procesamiento-funcionamiento, y diseña o proyecta la
estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de
propiedades.
La ciencia de materiales es, por ello mismo, un campo multidisciplinar que estudia
los conocimientos fundamentales sobre las propiedades físicas macroscópicas de
los materiales y los aplica en varias áreas de la ciencia y la ingeniería, consiguiendo
que éstos puedan ser utilizados en obras, máquinas y herramientas diversas, o
convertidos en productos necesarios o requeridos por la sociedad. Incluye
elementos de la química y física, así como las ingenierías química, mecánica, civil y
eléctrica o medicina, biología y ciencias ambientales. Con la atención puesta de los
medios en la amada ciencia y la nanotecnología en los últimos años, la ciencia de
los materiales ha sido impulsada en muchas universidades.
A pesar de los espectaculares progresos en el conocimiento y en el desarrollo de los
materiales en los últimos años, el permanente desafío tecnológico requiere
materiales cada vez más sofisticados y especializados.
Con objeto de averiguar si un material es más adecuado para soportar alguno o
varios de los esfuerzos estudiados anteriormente, se le somete a una serie de
pruebas en las que se determinan cada una de las propiedades mecánicas, así
como la resistencia a un determinado esfuerzo.
Historia:
Históricamente, el desarrollo y la evolución de las sociedades han estado
íntimamente vinculados a la capacidad de sus miembros para producir y conformar
los materiales necesarios para satisfacer sus necesidades. Los prehistoriadores han
encontrado útil clasificar las primeras civilizaciones a partir de algunos materiales
usados: Edad de Piedra, Edad del Cobre, Edad de Bronce o Edad del Hierro. Esta
última secuencia parece universal en todas las áreas, ya el uso del hierro requiere
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILuna tecnología más compleja que la asociada a la producción de bronce, que a su
vez requiere mayor tecnificación que el uso de la piedra.
Edad de Piedra (hace, aproximadamente, un millón de años)
Se utilizaba piedra y huesos para elaborar: herramientas, hachas, arpones, flechas,
hoces, etc. Edad de Bronce (comienza aproximadamente en el año 3000 AC)
Se utiliza el bronce a partir de cobre y estaño, dos minerales relativamente fáciles de
obtener y fundir.
Las herramientas fabricadas en bronce eran más duras y más sencillas de fabricar
que las realizadas sólo con cobre. Edad de Hierro (entre los años 1200 y 700 AC
aprox)
Para la obtención de hierro había que calentar el minera la una temperatura mucho
mayor para fundirlo.
Tenía grandes ventajas: la materia prima era abundante y más duras las
herramientas obtenidas.
Para fundir el hierro se colocaba sobre un agujero hecho en el suelo y se calentaba
por la parte inferior. Posteriormente, se empleó una «bomba» de pieles y madera
para insuflar aire del exterior, avivar el fuego y aumentar la temperatura. Época
actual
Bien podría denominarse Edad del Silicio, por el cambio provocado por la electrónica
basada en el silicio en la sociedad.
Las primeras civilizaciones tuvieron una disponibilidad bastante más reducida de
diferentes materiales que las civilizaciones más tecnificadas. Inicialmente sólo se
disponía de materiales naturales o se mi naturales como piedras, madera, arcilla,
pieles, etc. Los metales no-preciosos raramente se encuentran en la naturaleza, sino
que están en formas de minerales y se requiere un proceso de separación del metal
puro a partir del mineral correspondiente. Con el transcurso del tiempo, en diversas
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILáreas del planeta se llegó a técnicas para producir materiales con nuevas
propiedades superiores a las de los naturales (principalmente aleaciones).
Hace relativamente poco tiempo que los científicos llegaron a comprender la relación
entre elementos estructurales de los materiales y sus propiedades. Este
conocimiento, adquirido en los últimos 200 años aproximadamente, los ha
capacitado, en alto grado, para modificar o adaptar las características de los
materiales. Quizá uno de los científicos más relevantes en este campo haya sido
Willard Gibbs al demostrar la relación entre las propiedades de un material y su
microestructura.
Se han desarrollado decenas de miles de materiales distintos con características
muy especiales para satisfacer las necesidades de nuestra moderna y compleja
sociedad, se trata de metales, plásticos, vidrios y fibras. Una de las grandes
revoluciones de esta ciencia fue el descubrimiento de las diferentes fases térmicas
de los metales y, en especial, del acero. Actualmente los adelantos electrónicos más
sofisticados se basan en componentes denominados materiales semiconductores.
La historia de la humanidad ha estado ligada estrechamente al tipo de materiales
que cada sociedad ha desarrollado. Es por esto que
se conocen varias etapas históricas en este sentido,
sin que necesariamente exista una fecha exacta, o
incluso, dándose en diferentes momentos en las
diferentes sociedades humanas.
La edad de piedra se refiere entonces al periodo en
el que un grupo humano en particular empleaba
este material junto con otros de origen natural como
la madera o el hueso de
forma preponderante. Normalmente se asocia a una
etapa poco desarrollada tecnológicamente, lo cual no es
necesariamente cierto, ya que culturas que lograron
importantes avances culturales como los aztecas o
los mayas no superaron formalmente la edad de piedra,
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILno por falta de avances sino por la enorme variedad de materiales pétreos con los
que estas sociedades contaban los cuales suplían ampliamente las necesidades que
enfrentaron.
La edad de bronce, a la cual algunos se refieren como "edad de los metales" se
refiere al uso de metales y aleaciones, cuya importancia radica en que la obtención
de ellos requiere de la adquisición de tecnologías metalúrgicas complejas. El bronce
es la más famosa de las aleaciones a las que se refiere la historia para referirse a la
aparición de culturas clásicas y el acero para la era de la revolución industrial.
Las eras más recientes se conocen como "era de los polímeros", debido a que el uso
de los mismos definitivamente se debe a avances en la química de gran
complejidad. Los polímeros pueden tener virtualmente cualquier propiedad física, así
que su uso se hizo tan masivo que define muy bien a las sociedades modernas
(sociedades plásticas).
No obstante la historia, como el desarrollo de materiales, no se detiene. Actualmente
se imponen los materiales compuestos, o composites. Formados por la unión de
otros.
La elección adecuada de un material para una aplicación concreta no es una tarea
fácil. Exige un gran conocimiento de las propiedades de un elevado número de
materiales, el tipo de esfuerzos a que pueden estar sometidos y cómo se deben
diseñar las piezas del conjunto para que resistan mejor esos esfuerzos.
Propiedades que deben cumplir los materiales
Los ingenieros y diseñadores deberán tener un profundo conocimiento sobre las
propiedades de los distintos materiales que puedan emplear para la fabricación de
objetos. De esta manera, en un momento determinado, sabrán elegir mejor cuál es
el material idóneo para una aplicación concreta.
Por ejemplo, en el sector textil la elección de un material para la fabricación de
pantalones deberá contemplar varias propiedades: elasticidad, que no se deteriore a
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILtemperaturas medias o elevadas (cuando se lave), resistencia al rozamiento, que
sea agradable al tacto, etcétera.
Pero esto no acaba aquí, porque, además, deberá tenerse en cuenta a quién va
dirigido el producto. Así, si el pantalón va dirigido a niños de corta edad o bebés,
deberán prevalecer las propiedades de agradabilidad al tacto frente a las de
resistencia y durabilidad, que serían más adecuadas para edades superiores.
A lo largo del siglo xx, la cantidad de productos fabricados por persona y año se
incrementó en más del 2500%. En la actualidad, en muchos casos se fabrican
productos que se utilizan solamente una vez.
Todo ello puede acarrear dos tipos de problemas: agotamiento prematuro de
materiales (materias primas) y un excesivo deterioro del medio ambiente.
Agotamiento prematuro de materiales Los materiales que se emplean para construir
productos pueden ser de dos tipos:
Renovables.
Son aquellos materiales en los que un uso racional no provocará su agotamiento, ya
que, pasado cierto tiempo, se obtendrán otros.
No renovables.
Se trata de aquellos que proceden del interior de la Tierra y que, una vez usados, si
no se reciclan pueden acabar agotándose. Éste es el caso de todos los metales:
cobre, aluminio, hierro, etcétera
TIPOS DE MATERIALES
Desde un punto de vista de la Ciencia de Materiales los materiales se agrupan
dentro de los tres grupos siguientes:
MATERIALES METÁLICOS
MATERIALES POLIMÉRICOS
MATERIALES CERÁMICOS
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILAdemás de los tipos indicados suelen considerarse otros dos:
MATERIALES COMPUESTOS
MATERIALES ELECTRÓNICOS
Otra clasificación seria en función de sus propiedades, y seria
MATERIALES ESTRUCTURALES
MATERIALES FUNCIONALES
Estos últimos comprenden los materiales utilizados en las industrias eléctrica,
electrónica, informática y de las telecomunicaciones:
CONDUCTORES
SEMICONDUCTORES
DIELÉCTRICOS
MAGNÉTICOS
ÓPTICOS
1 .2 ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.
Las propiedades de los materiales se clasifican en propiedades físicas, químicas y
tecnológicas. Dentro de las propiedades físicas se estudian las propiedades
mecánicas, térmicas y eléctricas, además de otras propiedades como la densidad.
Las propiedades químicas más representativas son la resistencia a la oxidación y a
la corrosión.
Las propiedades tecnológicas más comunes son la soldabilidad y la fusibilidad.
De todas ellas centraremos nuestro estudio principalmente en las propiedades
mecánicas que son las más interesantes a la hora de ser evaluadas mediante
ensayos.
Materiales naturales
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILSon utilizados como están en la naturaleza, sin proceso de transformación, salvo el
de su extracción (ej: arena, mármol, algunas rocas, agua). No se alteran sus
propiedades en el proceso de extracción
de los mismos.
Se encuentran en la naturaleza.
Constituyen los materiales básicos para
fabricar los demás productos.
En ocasiones estos recursos son limitados
y se pueden agotar, en otras ocasiones pueden reciclarse o reutilizarse.
El reciclado o reciclaje es una buena solución para preservar el medio natural y
ahorrar recursos naturales, al mismo tiempo que se reducen costes.
Son naturales la madera, la lana, el esparto, la arcilla, el oro, etc.
Elaborados o artificiales
Para su utilización en la construcción deben sufrir modificaciones (ej: cemento,
vidrio, acero). Sus propiedades se alteran durante el proceso de elaboración.
Se obtienen a partir de otros materiales que se encuentran en la naturaleza y no han
sufrido transformación previa. También reciben este nombre los productos
fabricados con varios materiales que sean en su mayoría de origen natural.
Son artificiales el hormigón y los
bloques de hormigón, que son
productos artificiales, fabricados a partir
de arena (en un 50%; material natural),
grava (en un 30%; material natural),
cemento (en un 20%; material artificial)
y agua (material natural).
¿Qué son las Propiedades de los
Materiales?
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILSon las cualidades intrínsecas de los materiales, por las cuales reaccionan de
determinada manera ante: Fuerzas que actúan sobre él. Calor. Agua. Agentes
naturales (atmósfera, sol, lluvia, viento).
Conocer las Propiedades de los materiales nos permite evaluar: Qué material
utilizar. Cómo utilizar ese material. Cuánto material utilizar. Con qué otros materiales
puedo utilizarlo. Conocer las propiedades de los materiales permite adquirir una
metodología de estudio de cualquier material existente o futuro.
Clasificación de las Propiedades: Para un mejor análisis de las propiedades de los
materiales los clasificaremos para su estudio de la siguiente manera:
Propiedades físicas: estudian las propiedades que se pueden evaluar con la simple
observación del material.
Propiedades térmicas: estudian el comportamiento del material ante los cambios
de temperatura.
En líneas generales, se puede afirmar que no existe ningún material perfecto que se
pueda emplear para la fabricación de cualquier producto. Cada aplicación necesita
de un material que cumpla unas características determinadas. Ingenieros y
diseñadores necesitan sopesar las ventajas e inconvenientes de cada uno de los
materiales y elegir adecuadamente aquel que mejor se adapte a las necesidades
requeridas.
Para elegir adecuadamente un material es necesario conocer, entre otras, su pro-
piedad sensorial, óptico, térmico, magnético, químico, mecánico, etcétera. La
elección de un material se debe hacer cuidadosamente desde el punto de vista de
sus propiedades, dependiendo de la aplicación a la que se destine.
Propiedades sensoriales
A menudo elegimos los materiales dependiendo del efecto que puedan producir en
alguno de nuestros sentidos. Más o menos agradables al tacto, el olor, la forma, el
brillo, la textura y el color.
Propiedades ópticas
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Se refieren a la reacción del material cuando la luz incide sobre él. Así
tenemos:
materiales opacos, que no permiten que la luz los atraviese
materiales transparentes, que dejan pasar la luz
materiales translúcidos, que permiten que penetre la luz pero no dejan ver
nítidamente a través de ellos.
Existen otros materiales sensibles a la luz que reaccionan de alguna manera
cuando la luz incide sobre ellos como los semiconductores (LDR, placas
solares) o que sufren reacciones químicas como las películas fotográficas,
etcétera.
Propiedades químicas: estudian las modificaciones del material al entrar en
contacto con agentes químicos (oxígeno, agua, ácidos, entre otros).
Propiedades eléctricas: estudian el comportamiento del material ante los efectos
de la corriente eléctrica. Propiedades mecánicas: estudian el comportamiento del
material ante los efectos de fuerzas que actúan sobre él.
Propiedades tecnológicas: determinan las posibilidades de transformación del
material por distintos métodos.
-Otras propiedades:
-Viscosidad: Resistencia que tienen los líquidos a fluir a través de una superficie. Es
la mayor o menor facilidad que tiene un líquido a las tensiones de contacto. La
unidad es el Poisse aunque se usa el Centipoisse que equivale a la viscosidad del
agua a 20 °C en el sistema C.G.S.
-Incombustibilidad: No se inflaman ni se descomponen a altas temperaturas.
-Autoextinguibilidad: Se inflaman con dificultad y se caracterizan porque cuando
acercamos una llama arden y cuando la separamos dejan de arder.
-Combustibilidad: Sometidos a altas temperaturas arden y cuando retiramos la
llama el proceso de descomposición continua.
-Inflamablilidad: Son combustibles, la velocidad de propagación de la llama es muy
rápida a lo largo de su masa.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL1.2.1. ESTUDIO DE LA ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES.
La manera típica en que introducimos la estructura de los materiales en 3º de
la ESO es a partir de analizar las propiedades que caracterizan y diferencian
los estados de la materia: sólido, líquido y gas (más los estados de plasma y el
condensado de Bose-Einstein).
Pero esta clásica clasificación no ayuda a explicar muchos materiales de uso
cotidiano como son los llamados nuevos materiales.
Pensemos en un bisté de carne, en una pantalla de cristal líquido (usado en
pantallas de televisión, pantallas LCD), en el famoso Blandiblup y en distintos tipos
de plásticos, detergentes, fibras, vidrios, etc. En muchos de estos casos es difícil
hablar de ellos como sólidos o de líquidos.
¿Qué tal sin lo planteamos de otra manera? ¿Por qué no diferenciar los
materiales entre sistemas ordenados y sistemas desordenados y,
posteriormente, pasar a estudiar los que situaríamos entre el orden y el
desorden?
Solemos relacionar demasiado los estados de agregación con la temperatura, que
mide el estado de agitación de las partículas. Pero sabemos que el estado de
agregación depende de más factores como son la intensidad de uniones entre las
partículas que lo componen, de la presión y de la temperatura.
Podríamos plantearlo de la siguiente forma:
Que un sistema material esté más ordenado o menos ordenado depende de:
La intensidad de las uniones entre sus partículas.
De la presión, que cuanto mayor sea más compactado estará el sistema y,
por tanto, más ordenado.
De la temperatura, que cuanto menor sea, menor será la agitación de las partículas
y más ordenado estará dicho sistema.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILSi cambiamos una de estas tres variables, el estado de orden varía y un material
puede cambiar de estado de agregación.
De esta manera, como cada sustancia está formada por átomos o moléculas
distintas, la intensidad con que se unen dichas partículas será diferente dependiendo
de su naturaleza. Y a una misma temperatura y presión un material puede estar más
ordenado que otro.
Por ejemplo, a 25ºC y 1 atmósfera el agua está más ordenada que el oxígeno a la
misma temperatura y presión (la primera es líquida y la segunda gaseosa). De este
modo, dos materiales pueden tener la misma temperatura aunque estén en estado
de agregación distintos. Idea que no está muy clara, sobre todo en estos niveles,
donde el alumnado suele tener la concepción alternativa de que el hierro está más
frío que la madera, y que la madera está más fría que el aire, ya que una es sólida y
otra es líquida.
Hablando de orden y desorden se puede intuir que un material puede estar en
un estado intermedio entre sólido y líquido y no obligatoriamente en uno de
los dos. Del mismo modo que un dormitorio se desordena poco a poco y pasa por
estados intermedios desde que está perfectamente ordenado hasta el desordenado
(¿Cuándo un dormitorio se puede decir que está desordenado? Tranquilo, tus
padres se darán cuenta y te lo comunicarán.)
1.2.2 MATERIALES CRISTALINOS
La estructura cristalina es la forma sólida de cómo se ordenan y empaquetan los
átomos, moléculas, o iones. Estos son empaquetados de manera ordenada y con
patrones de repetición que se extienden en las tres
dimensiones del espacio. La cristalografía es el
estudio científico de los cristales y su formación.
El estado cristalino de la materia es el de mayor
orden, es decir, donde las correlaciones internas
son mayores. Esto se refleja en sus propiedades
antrópicas y discontinuas. Suelen aparecer como
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILentidades puras, homogéneas y con formas geométricas definidas (hábito) cuando
están bien formados. No obstante, su morfología externa no es suficiente para
evaluar la denominada cristalinidad de un material.
Los minerales se
caracterizan, entre otras
cualidades, por poseer una
estructura cristalina. Los
materiales cristalinos son
aquellos materiales sólidos,
cuyos elementos
constitutivos se repiten de
manera ordenada en las tres
direcciones del espacio.
Cada celda unidad viene
definida por la magnitud de sus traslaciones y de los ángulos que forman entre ellas.
Por repetición de esta celda unidad podemos reconstruir la red cristalina.
Así, la propiedad característica y definidora de la materia cristalina es ser periódica.
Quiere esto decir que, a lo largo de cualquier dirección, los elementos que la forman
se encuentran repetidos a la misma distancia (traslación). Este principio es válido
partiendo desde cualquier punto de la estructura. Si tomamos las traslaciones
mínimas en un cristal (traslaciones fundamentales) y desarrollamos el
paralelepípedo que generan, obtendremos la celda unidad.
Diferencia entre vidrio y cristales
En ocasiones la repetitividad se rompe o no es
exacta, y esto diferencia los vidrios y los
cristales, los vidrios generalmente se denominan
materiales amorfos (desordenados o poco
ordenados).
No obstante, la materia no es totalmente
ordenada o desordenada (cristalina o no cristalina) y nos encontramos una
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILgradación continua del orden en que está organizada esta materia (grados de
cristalinidad), en donde los extremos serían materiales con estructura atómica
perfectamente ordenada (cristalinos) y completamente desordenada (amorfos).
1.2.3 Materiales Amorfos
Los materiales amorfos no son algo nuevo de nuestra vida diaria. La misión del
Apolo recuperó uno de esos materiales desde la superficie lunar, que data de
millones de años, por lo cual no nos debe extrañar que los hombres hayan podido
crear materiales vítreos (principalmente de silicio) por cientos de años.
Surgirá aquí la pregunta de saber: ¿por qué hoy se habla tanto de estos materiales?
Su respuesta radica en el estudio científico de los mismos, en las nuevas formas de
obtención y en las considerables características y promesas tecnológicas, que en el
futuro, prometen quizás un rol más protagónico en el desarrollo de materiales.
Quizás lo más importante de este tipo de materiales se pueden resumir en dos
cosas:
El sólido amorfo es un estado sólido de
la materia, en el que las partículas que
conforman el sólido carecen de una
estructura ordenada. Estos sólidos
carecen de formas bien definidas. Esta
clasificación contrasta con la de sólidos
cristalinos, cuyos átomos están
dispuestos de manera regular y ordenada formando redes cristalinas.
Muchos sólidos amorfos son mezclas de moléculas que no se pueden apilar bien.
Casi todos los demás se componen de moléculas grandes y complejas. Entre los
sólidos amorfos más conocidos destaca el vidrio.
Un mismo compuesto superado, según el proceso de solidificación, puede formar
una red cristalina o un sólido amorfo. Por ejemplo, según la disposición espacial de
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILlas moléculas de sílice (SiO2), se puede obtener una estructura cristalina (el cuarzo)
o un sólido amorfo (el vidrio).
Propiedades de los amorfos
Las moléculas de los sólidos amorfos están distribuidas al azar lo que se traduce en
que las propiedades físicas macroscópicas del sólido son isótropas, idénticas en
todas las direcciones .
Los sólidos amorfos tienen una temperatura característica a la cual sus propiedades
experimentan cambios importantes. Esta temperatura se conoce como temperatura
de transición vítrea (Tg). La temperatura de transición a vidrio de un material amorfo
puede reducirse añadiendo moléculas pequeñas, denominadas "plastificadores", que
se adaptan entre las moléculas vítreas y les proporciona mayor movilidad.
Una consecuencia directa de la disposición irregular de las partículas en un sólido
amorfo, es la diferencia de intensidad que toman las fuerzas intermoleculares entre
las mismas, de ahí que la fusión se alcance a distintas temperaturas, según la
proporción de las distintas partículas que forman la muestra. De ello se deduce que
un sólido amorfo no tiene un punto de fusión definido, sino que dicha transformación
acontece en un intervalo de temperatura. Cuando se calienta un sólido amorfo, la
sustancia no manifiestan un punto de fusión, aunque se ablandan progresivamente
aumentando su tendencia a deformarse. En contraste, la temperatura de fusión de
un sólido cristalino es precisa y está bien definida. La distribución de los átomos y
superficies de un sólido es variada, la distribución de los electrones provoca que las
fuerzas de atracción o enlaces tengan algunas características de cada tipo de
objeto.
1. En cuanto a sus propiedades elásticas, se puede afirmar que los sólidos
amorfos manifiestan las propiedades de los cristales. Por ejemplo, al aplicar
una carga a un material amorfo en un intervalo racionado de tiempo, la
sustancia desarrollará una deformación pseudo-permanente, es decir, fluirá
como si fuera un líquido de viscosidad muy alta.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILRespecto al magnetismo, los metales amorfos presentan las propiedades
magnéticas más notables, comportándose como materiales ferromagnéticos
(aquellos en los que se produce un ordenamiento magnético de todos los momentos
magnéticos en la misma dirección y sentido).
Aplicaciones
Debido a sus propiedades mecánicas no tiene la necesidad , hay un gran número de
sólidos amorfos que se emplean como materiales para la industria y la construcción.
Los óxidos amorfos, gracias a su transparencia, solidez y facilidad para darle forma
en láminas grandes, se emplean profusamente como vidrio de ventana. Ciertos
polímeros orgánicos, en
virtud de su resistencia y peso
ligero y fácil procesamiento,
se emplean como materiales
estructurales (plásticos).
Existen semiconductores
amorfos que se emplean en las
memorias de ordenador y en
células solares gracias a sus
propiedades ópticas
fotovoltaicas y en la facilidad para
crear películas delgadas de gran
superficie. Los metales amorfos
se emplean en núcleos de
transformadores gracias a su
ferromagnetismo, bajas pérdidas y
la posibilidad de formar cintas
largas. El calcogenuro
amorfo se emplea en xerografía en
virtud de su fotoconductividad y la posibilidad de formar películas de gran área.
Sustancia amorfa Tipo de enlace Tg (K)
SiO2 covalente 1430
GeO2 covalente 820
Si, Ge metálico -
Pd0.4 Ni0.4 P0.2 iónico 580
BeF2 covalente 570
Poliestireno covalente 370
Se covalente 310
Au0.8 Si0.2 metálico 290
H2O enlace de H 140
C2H5OH enlace de H 90
Isopentano Van der Waals 65
Fe, Co, Bi metálico
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
Existen otras clases de Amorfos
Como los vidrios metálicos, los vidrios de espín, los vidrios calcogenoides, los
cristales líquidos y los semiconductores amorfos. En general, para un físico la
palabra "vidrio" denota a una estructura desordenada, formada al enfriar una mezcla
líquida, y en este texto usaremos esa convención, aunque existen algunas
excepciones que pasaremos por alto. Debemos agregar que en 1984 fue
descubierta otra clase de sólidos, cuya estructura no es ni de tipo cristalino ni
tampoco desordenada, sino que constituye por sí misma una nueva clase. A estos
materiales se les llamó "cuasicristales". Su orden interno es de largo alcance
pero casi-periódico, el cual les permite tener simetrías prohibidas para un cristal (la
periodicidad de un cristal sólo le permite tener simetrías de rotación de 60, 90, 120 y
180 grados. Los cuasicristales pueden tener simetrías exóticas, como la de
invariancia ante rotaciones de 72 grados, CORREPONDIENTES A LA SIMETRIA
DE UN PENTAGONO).
1. Aspecto científico del material. Una gran diversidad de materiales pueden
ser reconocidos como amorfos. Pero existe una gran discusión en la definición
científica de los materiales amorfos y el conocimiento popular de este tipo de
materiales. Existe una confusión entre la propiedad de ser amorfo y materiales
amorfos por definición. El apodo de "amorfo" se asocia a una característica
exclusiva del mundo de los vidrios, por eso suelen llamar a los materiales
amorfos como vidrios. Mientras que otros critican esta visión, ya que sostienen
que los vidrios son simplemente materiales transparentes ubicados en las
ventanas.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL2. Fundamento físico de estos materiales, es decir, sus propiedades físicas.
Por ejemplo: su banda energética, sus propiedades eléctricas y magnéticas.
Características que son únicas de ellos y no son claras en los sólidos
cristalinos.
1.2.4 Materiales semicristalinos
Un polímero semicristalino es un polímero que contiene dos regiones claramente
definidas en su estado sólido. Una de estas regiones es amorfa y la otra es
cristalina.
Los polímeros están formadas por cadenas muy largas de unidades repetitivas
llamadas monómeros, esto diferencia a este tipo de materiales de los formados por
moléculas pequeñas, como el Agua o el octano.
Un polímero amorfo es un material cuyas moléculas no presentan ningún orden de
acomodo físico, esto se suele explicar comparando con un plato de Spaghetti
después de hervir, donde cada cadena de moléculas toma una forma de cuerda
aleatoria y estas se enredan entre sí. Un ejemplo de estos materiales es el vidrio y
por ello a estos polímeros se les conoce también como vítreos.
Un cristal es un material sólido en el cual las moléculas se arreglan de forma
ordenada siguiendo un mismo patrón de acomodo para todo el material, los
acomodos posibles de un cristal o sistema cristalino han sido descritos en las
llamadas celdas o Redes de Bravais, y su estudio corresponde a la cristalografía.
Son ejemplos de cristales no poliméricos la sal común y el diamante.
Para que un polímero presente semicristalinidad, deben cumplirse ciertas
condiciones, como lo son la regularidad de los
monómeros, es decir que la cadena contenga
unidades que se repitan de forma constante.
También debe formarse una hélice con respecto
a los substituyentes (el PE y el PP son
parcialmente excepción de esta regla) y además
debe cumplirse la condición de tactilidad.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILPropiedades Físicas
Las propiedades físicas son
aquellas que logran cambiar la
materia sin alterar su
composición. Por ejemplo,
cuando moldeas un trozo de
plastilina, sus átomos no se ven alterados de ninguna manera, pero exteriormente
cambia su forma.
Estas propiedades pueden variar en tres estados distintos como: Estado Sólido,
Líquido y Gaseoso.
Estado Sólido
Se producen cuando los materiales se encuentran a una
baja temperatura provocando que sus átomos a menudo
se entrelazan formando estructuras cristalinas definidas,
lo que les permite soportar fuerzas sin deformación. Los
sólidos son calificados como duros y resistentes, y en ellos las fuerzas de atracción
son mayores que las de repulsión.
Las sustancias en estado sólido tienen las siguientes características:
Forma definida.
Incompresibilidad (no pueden comprimirse)
Resistencia a la fragmentación.
Volumen tenso.
Estado Líquido
Se produce cuando dicho material adquiere el
punto de fusión y su principal característica es la
capacidad de fluir y adaptarse a la forma del
recipiente que lo contiene.
El estado líquido presenta las siguientes características:
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Fuerza de cohesión menor.
Toma la forma del envase que lo contiene.
En frío se comprime.
Posee fluidez.
Estado Gaseoso
Se alcanza esto punto aumentando la temperatura de dicho material para llegar hasta su ebullición. Los átomos o moléculas del gas se encuentran libres de modo que son capaces de ocupar todo el espacio del recipiente que lo contiene,
aunque con mayor propiedad debería decirse que se distribuye o reparte por todo el espacio disponible
El estado gaseoso presenta las siguientes características:
Fuerza de cohesión casi nula.
Sin forma definida.
Toma el volumen del envase que lo contiene.
Se puede comprimir fácilmente.
Ejerce presión sobre las paredes del recipiente que los contienen.
Los gases se mueven con libertad.
Ejemplos: los cambios de estado, cortar, picar, romper, pintar de otro color, etc.
Propiedades Químicas
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
Una propiedad química es cualquier propiedad en que la materia cambia de
composición. Cuando se enfrenta una sustancia química a distintos reactivos o
condiciones experimentales puede o no reaccionar con ellos. Las propiedades
químicas se determinan por ensayos químicos y están relacionadas con
la reactividad de las sustancias químicas. Si no experimentan reacciones de
descomposición, son elementos químicos y si lo hacen son compuestos químicos.
Su importancia reside en que casi la totalidad de los procesos químicos que ocurren
en la naturaleza, no solo en organismos vivos sino también en la superficie no
organizada de la tierra, así como los que se llevan a cabo en laboratorios y en la
industria tienen lugar entre sustancias disueltas en agua. El agua es disolvente
universal puesto que todas las sustancias son de alguna manera solubles en ella.
• No posee propiedades ácidas ni básicas.
• Con ciertas sales forma hidratos.
• Reacciona con los óxidos de metales formando bases.
• Es catalizador en muchas reacciones químicas
Ejemplos: La oxidación de hierro, la fermentación, la putrefacción, la digestión de
los alimentos, la producción de una sustancia nueva, etc.
Los procesos físicos y químicos se diferencian fundamentalmente en los siguientes
aspectos:
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Los cambios químicos van acompañados por una modificación profunda de las
propiedades del cuerpo o cuerpos reaccionantes; los cambios físicos dan lugar a
una alteración muy pequeña y muchas veces parcial de las propiedades del
cuerpo.
Los cambios químicos tienen casi siempre carácter permanente mientras que, en
general, los cambios físicos persisten únicamente mientras actúa la causa que
los origina.
Los cambios químicos van acompañados por una variación importante de
energía mientras que los cambios físicos van unidos a una variación de energía
relativamente pequeña. Así, por ejemplo, la formación de 1.0 g de agua a
temperatura ambiente, a partir de hidrógeno y oxígeno, Ase desprenden cerca de
3800 calorías, mientras que la solidificación a hielo de 1.0 g de agua o la
condensación a agua líquida a 100 ºC de 1.0 g de vapor de agua desprende tan
sólo, respectivamente, cerca de 80 ó de 540 calorías.
En algunos casos, tal como en la disolución del cloruro de hidrógeno gaseoso o
incluso del cloruro sódico en agua o la simple dilución del ácido sulfúrico
concentrado, parece difícil decidir claramente si un proceso es químico o físico, ya
que ofrece aspectos de uno y otro tipo de transformaciones.
1.2.5 Estudio de la relación entre la estructura y las propiedades.
Estructura es la forma en que está compuesta u organizada la materia, ya que una
molécula se forma gracias a la intervención de fuerzas, cargas y energía en los
átomos y enlaces de esta. Por lo tanto, los átomos y enlaces, dependiendo de los
valores de estas magnitudes físicas, ocuparán cierta posición en el espacio y los
enlaces tendrán un determinado ángulo, longitud y energía.
Las propiedades de la materia se refieren a magnitudes específicas de ciertas
características físicas y químicas como solubilidad, densidad, punto de fusión y
ebullición.
La ciencia de materiales implica investigar la relación entre la estructura y las
propiedades de los materiales. Por el contrario, la ingeniería de materiales se
fundamenta en las relaciones propiedades-estructura y diseña o proyecta la
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILestructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de
propiedades. Conviene matizar esta diferencia, puesto que a menudo se presta a
confusión.
La estructura de un material puede considerarse a distintos niveles
Atómico (eléctrico, magnético, térmico, óptico)
Microscópico
Macroscópico (simple vista)
Relación ternaria entre estructura interna del material, procesado y
propiedades finales
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILProcesos de fabricación:
Moldeo
Soldadura, atornillado, roblonado
Forjado, trefilado, extrusión, laminado,...
Sinterizado
Mecanizado
Cuando el ingeniero cambia uno de los tres aspectos, cualquiera de los otros
también se verá alterado
Efectos ambientales sobre el comportamiento
Esfuerzo: estático, dinámico...
Medio ambiente: oxidación, corrosión...
Temperatura: Resistencia
Radiación ultravioleta: polímeros
Radiación neutrónica: aceros de vasijas
1.2.6 Estudio del procesamiento de los materiales
La ciencia de materiales es el campo científico encargado de investigar la relación
entre la estructura y las propiedades de los materiales. Paralelamente, conviene
matizar que la ingeniería de materiales se fundamenta en esta, las relaciones
propiedades-estructura-procesamiento-funcionamiento, y diseña o proyecta la
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILestructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de
propiedades.
La ciencia de materiales es, por ello mismo, un campo .multidisciplinar que estudia
los conocimientos fundamentales sobre las propiedades físicas macroscópicas de
los materiales y los aplica en varias áreas de la ciencia y la ingeniería, consiguiendo
que éstos puedan ser utilizados en obras, máquinas y herramientas diversas, o
convertidos en productos necesarios o requeridos por la sociedad. Incluye
elementos de la química y física, así como las ingenierías química, mecánica, civil y
eléctrica o medicina, biología y ciencias ambientales. Con la atención puesta de los
medios en la nanociencia y la nanotecnología en los últimos años, la ciencia de los
materiales ha sido impulsada en muchas universidades.
A pesar de los espectaculares progresos en el conocimiento y en el desarrollo de los
materiales en los últimos años, el permanente desafío tecnológico requiere
materiales cada vez más sofisticados y especializados.
Hace relativamente poco tiempo que los científicos llegaron a comprender la relación
entre elementos estructurales de los materiales y sus propiedades. Este
conocimiento, adquirido en los últimos 200 años aproximadamente, los ha
capacitado, en alto grado, para modificar o adaptar las características de los
materiales. Quizá uno de los científicos más relevantes en este campo haya sido
Willard Gibbs al demostrar la relación entre las propiedades de un material y su
microestructura.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILSe han desarrollado decenas de miles de materiales distintos con características
muy especiales para satisfacer las necesidades de nuestra moderna y compleja
sociedad, se trata de metales, plásticos, vidrios y fibras. Una de las grandes
revoluciones de esta ciencia fue el descubrimiento de las diferentes fases térmicas
de los metales y, en especial, del acero. Actualmente los adelantos electrónicos más
sofisticados se basan en componentes denominados materiales semiconductores.
APLICACIONES Y RELACIÓN CON LA INDUSTRIA
El avance radical en la tecnología de
materiales puede conducir a la creación
de nuevos productos o al florecimiento de
nuevas industrias, pero las industrias
actuales a su vez necesitan científicos de
materiales para incrementar las mejoras y
localizar las posibles averías de los
materiales que están en uso. Las aplicaciones industriales de la ciencia de
materiales incluyen la elección del material, su coste-beneficio para obtener dicho
material, las técnicas de procesado y las técnicas de análisis.
Además de la caracterización del material, el científico o ingeniero de materiales
(aunque exista diferencia, muchas veces el ingeniero es científico o viceversa)
también debe tratar la extracción y su posterior conversión en materiales útiles. El
moldeo de lingotes, técnicas de fundido, extracción en alto horno, extracción
electrolítica, etc., son parte del conocimiento requerido en un ingeniero metalúrgico o
bien un ingeniero industrial para valorar las capacidades de dicho material.
Dejando aparte los metales, los polímeros y las cerámicas son también muy
importantes en la ciencia de materiales. Los polímeros son un material primario
usado para conformar o fabricar plásticos. Los plásticos son el producto final
después de que varios polímeros y aditivos hayan sido procesados y conformados
en su forma final. El PVC, polietileno, etc., son ejemplos de plásticos.
En lo que respecta a los cerámicos, se puede citar la arcilla, así como su modelado,
secado y cocido para obtener un material refractario.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILÁmbitos
La ciencia de materiales abarca muchísimos temas, desde la estructura atómica,
propiedades de los diferentes materiales, procesos y tratamientos. Este sería un
resumen a gran escala:
Estructura atómica y enlaces interatómicos
Estructura de sólidos cristalinos
Imperfecciones en estructuras cristalinas
Procesos de difusión atómica
Propiedades de los materiales
Dislocaciones y mecanismos de endurecimiento
Rotura
Diagramas de fases
Transformaciones de fases
Tratamientos térmicos
Aleaciones
Clasificaciones de los materiales
Metales
Se denomina metal a los elementos químicos caracterizados por ser buenos
conductores del calor y la electricidad. Poseen alta densidad y son sólidos en
temperaturas normales (excepto el mercurio); sus sales forman iones
electropositivos (cationes) en disolución.
La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un
solapamiento entre la banda de valencia y la banda de conducción en su estructura
electrónica (enlace metálico). Esto le da la capacidad de conducir fácilmente calor y
electricidad, y generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo que le da su peculiar
brillo. En ausencia de una estructura electrónica conocida, se usa el término para
describir el comportamiento de aquellos materiales en los que, en ciertos rangos de
presión y temperatura, la conductividad eléctrica disminuye al elevar la temperatura,
en contraste con los semiconductores.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl concepto de metal se refiere tanto a elementos puros, así como aleaciones con
características metálicas, como el acero y el bronce. Los metales comprenden la
mayor parte de la tabla periódica de los elementos y se separan de los no metales
por una línea diagonal entre el boro y el polonio. En comparación con los no metales
tienen baja electronegatividad y baja energía de ionización, por lo que es más fácil
que los metales cedan electrones y más difícil que los ganen.
En astrofísica se llama metal a todo elemento más pesado que el helio.
Cerámicas
La cerámica técnica se ocupa de la utilización de materiales cerámicos en
aplicaciones tecnológicas. La palabra cerámica deriva del vocablo griego keramos,
cuya raíz sánscrita significa "quemar". En su sentido estricto se refiere a la arcilla en
todas sus formas. Sin embargo, el uso moderno de este término incluye a todos los
materiales inorgánicos no metálicos que se forman por acción del calor (ver
sinterización).
Hasta los años 1950, los materiales más importantes fueron las arcillas tradicionales,
utilizadas en alfarería, ladrillos, azulejos y similares, junto con el cemento y el vidrio.
El arte tradicional de la cerámica se describe en alfarería. También puede buscarse
la historia del rakú, singular técnica milenaria oriental.
Históricamente, los productos cerámicos han sido duros, porosos y frágiles. El
estudio de la cerámica consiste en una gran extensión de métodos para mitigar
estos problemas y acentuar las potencialidades del material, así como ofrecer usos
no tradicionales. Esto también se ha buscado incorporándolas a materiales
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILcompuestos como es el caso de los cermets, que combinan materiales metálicos y
cerámicos.
Polímeros
Los polímeros (del Griego: poly: muchos y mero: parte, segmento) son
macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más
pequeñas llamadas monómeros.
El almidón, la celulosa, la seda y el ADN son ejemplos de polímeros naturales, entre
los más comunes de estos y entre los polímeros sintéticos encontramos el nailon, el
polietileno y la baquelita.
Clasificación
Existen varias formas posibles de clasificar los polímeros, sin que sean excluyentes
entre sí.
Según su origen
Polímeros naturales. Existen en la naturaleza muchos polímeros y las
biomolecular que forman los seres vivos son macromoléculas poliméricas. Por
ejemplo, las proteínas, los ácidos nucleicos, los polisacáridos (como la
celulosa y la quitina), el hule o caucho natural, la lignina, etc.
Polímeros semisintéticos. Se obtienen por transformación de polímeros
naturales. Por ejemplo, la nitrocelulosa, el caucho vulcanizado, etc.
Polímeros sintéticos. Muchos polímeros se obtienen industrialmente a partir
de los monómeros. Por ejemplo, el nailon, el poliestireno, el Policloruro de
vinilo, el polietileno, etc.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILSegún su mecanismo de polimerización
En 1929 Carothers propuso la siguiente clasificación:
Polímeros de condensación. La reacción de polimerización implica a cada
paso la formación de una molécula de baja masa molecular, por ejemplo
agua.
Polímeros de adición. La polimerización no implica la liberación de ningún
compuesto de baja masa molecular. Ésta polimerización se genera cuando un
"catalizador", inicia la reacción. Este catalizador separa la unión doble
carbono en los monómeros, luego aquellos monómeros se unen con otros
debido a los electrones libres, y así se van uniendo uno tras uno hasta que la
reacción termina.
Clasificación de Flory (modificación a la de Carothers para considerar la cinética de
la reacción):
Polímeros formados por reacción en cadena. Se requiere un iniciador para
comenzar la polimerización; un ejemplo es la polimerización de alquenos (de
tipo radicalario). En este caso el iniciador reacciona con una molécula de
monómero, dando lugar a un radical libre, que reacciona con otro monómero
y así sucesivamente. La concentración de monómero disminuye lentamente.
Además de la polimerización de alquenos, incluye también polimerización
donde las cadenas reactivas son iones (polimerización catiónica y aniónica).
Polímeros formados por reacción por etapas. El peso molecular del
polímero crece a lo largo del tiempo de manera lenta, por etapas. Ello es
debido a que el monómero desaparece rápidamente, pero no da
inmediatamente un polímero de peso molecular elevado, sino una distribución
entre dímeros, trímeros, y en general, oligómeros; transcurrido un cierto
tiempo, estos oligómeros empiezan a reaccionar entre sí, dando lugar a
especies de tipo polimérico. Esta categoría incluye todos los polímeros de
condensación de Carothers y además algunos otros que no liberan moléculas
pequeñas pero sí se forman gradualmente, como por ejemplo los
poliuretanos.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILSegún su composición química
Polímeros orgánicos. Posee en la cadena principal átomos de carbono.
Polímeros orgánicos vinílicos. La cadena principal de sus moléculas está
formada exclusivamente por átomos de carbono.
Dentro de ellos se pueden distinguir:
Poliolefinas, formados mediante la polimerización de olefinas.
Ejemplos: polietileno y polipropileno.
Polímeros estirénicos, que incluyen al estireno entre sus monómeros.
Ejemplos: poliestireno y caucho estireno-butadieno.
Polímeros vinílicos halogenados, que incluyen átomos de halógenos
(cloro, flúor...) en su composición.
Polímeros orgánicos no vinílicos. Además de carbono, tienen átomos de
oxígeno o nitrógeno en su cadena principal.
Algunas sub-categorías de importancia:
Poliésteres
Poliamidas
Poliuretanos
Polímeros inorgánicos. Entre otros:
Basados en azufre. Ejemplo: polisulfuros.
Basados en silicio. Ejemplo: silicona.
Según sus aplicaciones
Atendiendo a sus propiedades y usos finales, los polímeros pueden clasificarse en:
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Elastómeros. Son materiales con muy bajo módulo de elasticidad y alta
extensibilidad; es decir, se deforman mucho al someterlos a un esfuerzo pero
recuperan su forma inicial al eliminar el esfuerzo. En cada ciclo de extensión y
contracción los elastómeros absorben energía, una propiedad denominada
resiliencia.
Plásticos. Son aquellos polímeros que, ante un esfuerzo suficientemente
intenso, se deforman irreversiblemente, no pudiendo volver a su forma
original. Hay que resaltar que el término plástico se aplica a veces
incorrectamente para referirse a la totalidad de los polímeros.
Fibras. Presentan alto módulo de elasticidad y baja extensibilidad, lo que
permite confeccionar tejidos cuyas dimensiones permanecen estables.
Recubrimientos. Son sustancias, normalmente líquidas, que se adhieren a la
superficie de otros materiales para otorgarles alguna propiedad, por ejemplo
resistencia a la abrasión.
Adhesivos. Son sustancias que combinan una alta adhesión y una alta
cohesión, lo que les permite unir dos o más cuerpos por contacto superficial.
Según su comportamiento al elevar su temperatura
Para clasificar polímeros, una de las formas empíricas más sencillas consiste en
calentarlos por encima de cierta temperatura. Según si el material funde y fluye o por
el contrario no lo hace se diferencian tres tipos de polímeros:
Termoplásticos, que fluyen (pasan al estado líquido) al calentarlos y se
vuelven a endurecer (vuelven al estado sólido) al enfriarlos. Su estructura
molecular presenta pocos (o ningún) entrecruzamientos. Ejemplos: polietileno
(PE), polipropileno (PP), cloruro de polivinilo PVC.
Termoestables, que no fluyen, y lo único que conseguimos al calentarlos es
que se descompongan químicamente, en vez de fluir. Este comportamiento
se debe a una estructura con muchos entrecruzamientos, que impiden los
desplazamientos relativos de las moléculas.
Elastómero, plásticos con un comportamiento elástico que pueden ser
deformados fácilmente sin que se rompan sus enlaces o modifique su
estructura.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILMateriales compuestos
En ciencia de materiales reciben el
nombre de materiales compuestos
aquellos materiales que se forman
por la unión de dos materiales
para conseguir la combinación de
propiedades que no es posible obtener en los materiales originales. Estos
compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales de
rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión,
dureza o conductividad [1]. Los materiales son compuestos cuando cumplen las
siguientes características:
Están formados de 2 o más componentes distinguibles físicamente y
separables mecánicamente.
Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles
entre sí y separadas por una interface.
Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las
propiedades de sus componentes (sinergia).
No pertenecen a los materiales compuestos, aquellos materiales polifásicos;
como las aleaciones metálicas, en las que mediante un tratamiento térmico se
cambian la composición de las fases presentes[2]
Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las
propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. Por ejemplo en la
industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al
impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas que rara
vez se dan juntas.
A pesar de haberse obtenido materiales con unas propiedades excepcionales, las
aplicaciones prácticas se ven reducidas por algunos factores que aumentan mucho
su costo, como la dificultad de fabricación o la incompatibilidad entre materiales.
La gran mayoría de los materiales compuestos son creados artificialmente pero
algunos, como la madera y el hueso, aparecen en la naturaleza.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEstructura
Aunque existe una gran variedad de materiales compuestos, en todos se pueden
distinguir las siguientes partes:
Agente reforzante: es una fase de carácter discreto y su geometría es
fundamental a la hora de definir las propiedades mecánicas del material.
Fase matriz o simplemente matriz: tiene carácter continuo y es la
responsable de las propiedades físicas y químicas. Transmite los esfuerzos al
agente reforzante. También lo protege y da cohesión al material.
Clasificación
Los materiales compuestos se pueden dividir en tres grandes grupos:
Materiales Compuestos reforzados con partículas.
Están compuestos por partículas de un material duro y frágil dispersas discreta y
uniformemente, rodeadas por una matriz más blanda y dúctil
Tipos: Compuestos endurecidos por dispersión Compuestos con partículas
propiamente dichas
Compuestos endurecidos por dispersión El tamaño de la partícula es muy pequeño
(diámetro entre 100 i 2500 μ). A temperaturas normales, estos compuestos no
resultan más resistentes que las aleaciones, pero su resistencia disminuye con el
aumento de la tempertura. Su resistencia a la termofluencia es superior a la de los
metales y aleaciones.
Sus principales propiedades son:
La fase es generalmente un óxido duro y estable.
El agente debe tener propiedades físicas óptimas.
No deben reaccionar químicamente el agente y la fase.
Deben unirse correctamente los materiales.
Materiales Compuestos reforzados con fibras.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILUn componente suele ser un agente reforzante como una fibra fuerte: fibra de vidrio,
cuarzo, kevlar, Dyneema o fibra de carbono que proporciona al material su fuerza a
tracción, mientras que otro componente (llamado matriz) que suele ser una resina
como epoxy o poliéster que envuelve y liga las fibras, transfiriendo la carga de las
fibras rotas a las intactas y entre las que no están alineadas con las líneas de
tensión. También, a menos que la matriz elegida sea especialmente flexible, evita el
pandeo de las fibras por compresión. Algunos compuestos utilizan un agregado en
lugar de, o en adición a las fibras.
En términos de fuerza, las fibras (responsables de las propiedades mecánicas)
sirven para resistir la tracción, la matriz (responsable de las propiedades físicas y
químicas) para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes sirven
para resistir la compresión, incluyendo cualquier agregado.
Los golpes o los esfuerzos cíclicos pueden causar que las fibras se separen de la
matriz, lo que se llama delaminación.
Materiales semiconductores
Los semiconductores son materiales cuya conductancia eléctrica puede ser
controlada de forma permanente o dinámica variando su estado desde conductor a
aislante.
Debido a su uso en dispositivos tales como los transistores (y por tanto en
computadoras) y en los láseres, la búsqueda de nuevos materiales semiconductores
y la mejora de los materiales existentes es un importante campo de estudio en la
ciencia de materiales.
Tipos de semiconductores
Semiconductores intrínsecos
Es un cristal de silicio o germanio que forma una estructura tetraédrica similar a la
del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos, en la figura
representados en el plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a
temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energía necesaria
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILpara saltar a la banda de conducción dejando el correspondiente hueco en la banda
de valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente, son de 1,12 eV y
0,67 eV para el silicio y el germanio respectivamente.
Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones
pueden caer, desde el estado energético correspondiente a la banda de conducción,
a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno se le
denomina recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura, las
velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo que
la concentración global de electrones y huecos permanece constante. Siendo "n" la
concentración de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de huecos
(cargas positivas), se cumple que:
ni = n = p
Semiconductores extrínsecos
Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño
porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el
semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente,
las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al
correspondiente átomo de silicio. Hoy en día se han logrado añadir impurezas de
una parte por cada 10 millones, logrando con ello una modificación del material.
1.3 EL SUELO
El suelo es considerado como uno de los recursos naturales más importantes, de ahí
la necesidad de mantener su productividad, para que a través de él y las prácticas
agrícolas adecuadas se establezca un equilibrio entre la producción de alimentos y
el acelerado incremento del índice demográfico.
El suelo es esencial para la vida, como lo es el aire y el agua, y cuando es utilizado
de manera prudente puede ser considerado como un recurso renovable. Es un
elemento de enlace entre los factores bióticos y abióticos y se le considera un
hábitat para el desarrollo de las plantas.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILGracias al soporte que constituye el suelo es posible la producción de los recursos
naturales, por lo cual es necesario comprender las características físicas y químicas
para propiciar la productividad y el equilibrio ambiental (sustentabilidad).
¿Qué es el suelo?
La palabra suelo se deriva del latín solum, que significa suelo, tierra o parcela.
Los suelos se forman por la combinación de cinco factores interactivos: material
parental, clima, topografía. Organismos vivos y tiempo.
Los suelos constan de cuatro grandes componentes: materia mineral, materia
orgánica, agua y aire; la composición volumétrica aproximada es de 45, 5, 25 y 25%,
respectivamente.
Los constituyentes minerales (inorgánicos) de los suelos normalmente están
compuestos de pequeños fragmentos de roca y minerales de varias clases. Las
cuatro clases más importantes de partículas inorgánicas son: grava, arena, limo y
arcilla.
La materia orgánica del suelo representa la acumulación de las plantas destruidas y
resintetizadas parcialmente y de los residuos animales. La materia orgánica del
suelo se divide en dos grandes grupos:
a. Los tejidos originales y sus equivalentes más o menos descompuestos.
b. El humus, que es considerado como el producto final de descomposición de
la materia orgánica.
Para darse una idea general de la importancia que tiene el agua para el suelo es
necesario resaltar los conceptos:
a. El agua es retenida dentro de los poros con grados variables de intensidad,
según la cantidad de agua presente.
b. Junto con sus sales disueltas el agua del suelo forma la llamada solución del
suelo; ésta es esencial para abastecer de nutrimentos a las plantas que en él
se desarrollan.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl aire del suelo no es continuo y está localizado en los poros separados por los
sólidos. Este aire tiene generalmente una humedad más alta que la de la atmósfera.
Cuando es óptima, su humedad relativa está próxima a 100%. El contenido de
anhídrido carbónico es por lo general más alto y el del oxígeno más bajo que los
hallados en la atmósfera.
La arcilla y el humus son el asiento de la actividad del suelo; estos dos
constituyentes existen en el llamado estado coloidal. Las propiedades químicas y
físicas de los suelos son controladas, en gran parte, por la arcilla y el humus, las que
actúan como centros de actividad a cuyo alrededor ocurren reacciones químicas y
cambios nutritivos.
Perfil del suelo.
Un perfil de suelo es la exposición vertical, de horizontes o capas horizontales, de
una porción superficial de la corteza terrestre. Los perfiles de los suelos difieren
ampliamente de región a región, en general los suelos tienen de tres a cinco
horizontes y se clasifican en horizontes orgánicos (designados con la letra O) y
horizontes minerales (con las letras A, B, C).
Sistemas de clasificación de suelos.
Los suelos son clasificados de acuerdo con su estructura y composición en órdenes,
subórdenes, grandes grupos, subgrupos, familias y series. Se ha visto que las
características del suelo varían enormemente de un lugar a otro; los científicos han
reconocido estas variaciones en los diferentes lugares y han establecido distintos
sistemas de clasificación.
Las diferencias que presentan los suelos se utilizan para clasificarlos en diez
órdenes principales, como se observa en el siguiente cuadro.
Los alfisoles (suelos ricos en hierro y aluminio) y molisoles (suelos de pastizales)
son los mejores suelos agrícolas.
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1.3.1 CLASIFICACION DEL SUELOS
Existen dos clasificaciones para los tipos de suelo, una según su estructura y otra de
acuerdo a sus formas físicas.
POR SU FUNCIONALIDAD
Suelos arenosos: No retienen el agua, tienen muy poca materia orgánica y no
son aptos para la agricultura.
Suelos calizos: Tienen abundancia de sales calcáreas, son de color blanco,
secos y áridos, y no son buenos para la agricultura.
Suelos humíferos (tierra negra): Tienen abundante materia orgánica en
descomposición, de color oscuro, retienen bien el agua y son excelentes para
el cultivo.
Suelos arcillosos: Están formados por granos finos de color amarillento y
retienen el agua formando charcos. Si se mezclan con humus pueden ser
buenos para cultivar.
Suelos pedregosos: Formados por rocas de todos los tamaños, no retienen el
agua y no son buenos para el cultivo.
Suelos mixtos: Tiene características intermedias entre los suelos arenosos y
los suelos arcillosos.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILPor características físicas
Litosoles: Se considera un tipo de suelo que aparece en escarpas y
afloramientos rocosos, su espesor es menor a 10 cm y sostiene una
vegetación baja, se conoce también como leptosoles que viene del griego
leptos que significa delgado.
Cambisoles: Son suelos jóvenes con proceso inicial de acumulación de
arcilla. Se divide en vértigos, gleycos, eutrícos y crómicos.
Luvisoles: Presentan un horizonte de acumulación de arcilla con saturación
superior al 50%.
Acrisoles: Presentan un marcado horizonte de acumulación de arcilla y bajo
saturación de bases al 50%.
Gleysoles: Presentan agua en forma permanente o semipermanente con
fluctuaciones de nivel freático en los primeros 50 cm.
Fluvisoles: Son suelos jóvenes formados por depósitos fluviales, la mayoría
son ricos en calcio.
Rendzina: Presenta un horizonte de aproximadamente 50 cm de profundidad.
Es un suelo rico en materia orgánica sobre roca caliza.
Vertisoles: Son suelos arcillosos de color negro, presentan procesos de
contracción y expansión, se localizan en superficies de poca pendiente y
cercanos escurrimientos superficiales.
Clasificación de los suelos
Estructura de un suelo ránker. Tomada en La Pola de Gordón. León. España.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl suelo se puede clasificar según su textura: fina o gruesa, y por su estructura:
floculada, agregada o dispersa, lo que define su porosidad que permite una mayor o
menor circulación del agua, y por lo tanto la existencia de especies vegetales que
necesitan concentraciones más o menos elevadas de agua o de gases.
El suelo también se puede clasificar por sus características químicas, por su poder
de absorción de coloides y por su grado de acidez (pH), que permite la existencia de
una vegetación más o menos necesitada de ciertos compuestos.
Los suelos no evolucionados son suelos brutos, muy próximos a la roca madre y
apenas tienen aporte de materia orgánica. Son resultado de fenómenos erosivos o
de la acumulación reciente de aportes aluviales. De este tipo son los suelos polares
y los desiertos, tanto de roca como de arena, así como las playas.
Los suelos poco evolucionados dependen en gran medida de la naturaleza de la
roca madre. Existen tres tipos básicos: ránker, rendzina y los suelos de estepa.
Los suelos ránker son más o menos ácidos, como los suelos de tundra y los
alpinos.
Los suelos rendzina se forman sobre una roca madre carbonatada, como la
caliza, suelen ser fruto de la erosión y son suelos básicos.
Los suelos de estepa se desarrollan en climas continentales y mediterráneo
subárido. El aporte de materia orgánica es muy alto. Según sea la aridez del
clima pueden ser de colores desde castaños hasta rojos.
En los suelos evolucionados encontramos todo tipo de humus, y cierta
independencia de la roca madre. Hay una gran variedad y entre ellos se incluyen los
suelos de los bosques templados, los de regiones con gran abundancia de
precipitaciones, los de climas templados y el suelo rojo mediterráneo. En general, si
el clima es propicio y el lugar accesible, la mayoría de estos suelos están hoy
ocupados por explotaciones agrícolas.
COMPOSICION
Los componentes del suelo se pueden dividir en sólidos, líquidos y gaseosos.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILSOLIDOS
Este conjunto de componentes representa lo que podría denominarse el esqueleto
mineral del suelo. Y entre estos, componentes sólidos, del suelo destacan:
Silicatos, tanto residuales o no completamente meteorizados, (micas,
feldespatos, y fundamentalmente cuarzo).
o Como productos no plenamente formados, singularmente los minerales
de arcilla, (caolinita, illita, etc.).
Óxidos e hidróxidos de Fe (hematites, limonita, goethita) y de Al (gibbsita,
boehmita), liberados por el mismo procedimiento que las arcillas.
Clastos y granos poliminerales como materiales residuales de la alteración
mecánica y química incompleta de la roca originaria.
Otros diversos compuestos minerales cuya presencia o ausencia y
abundancia condicionan el tipo de suelo y su evolución.
o Carbonatos (calcita, dolomita).
o Sulfatos (aljez).
o Cloruros y nitratos.
Sólidos de naturaleza orgánica o complejos órgano-minerales, la materia
orgánica muerta existente sobre la superficie, el humus o mantillo:
o Humus joven o bruto formado por restos distinguibles de hojas, ramas
y restos de animales.
o Humus elaborado formado por sustancias orgánicas resultantes de la
total descomposición del humus bruto, de un color negro, con mezcla
de derivados nitrogenados (amoníaco, nitratos), hidrocarburos,
celulosa, etc. Según el tipo de reacción ácido-base que predomine en
el suelo, éste puede ser ácido, neutro o alcalino, lo que viene
determinado también por la roca madre y condiciona estrechamente
las especies vegetales que pueden vivir sobre el mismo.
Líquidos
Esta fracción está formada por una disolución
acuosa de las sales y los iones más comunes
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILcomo Na+, K+, Ca2+, Cl-, NO3
-,… así como por una amplia serie de sustancias
orgánicas. La importancia de esta fase líquida en el suelo estriba en que éste es el
vehículo de las sustancias químicas en el seno del sistema.
El agua en el suelo puede estar relacionada en tres formas diferentes con el
esqueleto sólido:
Tipos de líquido en el suelo.
La primera, está constituida por una partícula muy delgada, en la que la
fuerza dominante que une el agua a la partícula sólida es de carácter
molecular, y tan sólida que esta agua solamente puede eliminarse del suelo
en hornos de alta temperatura. Esta parte del agua no es aprovechable por el
sistema radicular de las plantas.
La segunda es retenida entre las partículas por las fuerzas capilares, las
cuales, en función de la textura pueden ser mayores que la fuerza de la
gravedad. Esta porción del agua no percola, pero puede ser utilizada por las
plantas.
Finalmente, el agua que excede al agua capilar, que en ocasiones puede
llenar todos los espacios intersticiales en las capas superiores del suelo, con
el tiempo percola y va a alimentar los acuíferos más profundos. Cuando todos
los espacios intersticiales están llenos de agua, el suelo se dice saturado.
Gases
La fracción de gases está constituida fundamentalmente por los gases atmosféricos
y tiene gran variabilidad en su composición, por el consumo de O2, y la producción
de CO2 dióxido de carbono. El primero siempre menos abundante que en el aire libre
y el segundo más, como consecuencia del metabolismo respiratorio de los seres
vivos del suelo, incluidas las raíces y los hongos. Otros gases comunes en suelos
con mal drenaje son el metano (CH4 ) y el óxido nitroso (N2O).
Estructura del suelo
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILArtículo principal: Estructura del suelo
Horizontes del suelo.
Se entiende la estructura de un suelo como la distribución o diferentes proporciones
que presentan los distintos tamaños de las partículas sólidas que lo conforman, y
son:
Materiales finos, (arcillas y limos), de gran abundancia con relación a su
volumen, lo que los confiere una serie de propiedades específicas, como:
o Cohesión.
o Adherencia.
o Absorción de agua.
o Retención de agua.
Materiales medios, formados por tamaños arena.
Materiales gruesos, entre los que se encuentran fragmentos de la roca madre,
aún sin degradar, de tamaño variable.
Los componentes sólidos, no quedan sueltos y dispersos, sino más o menos
aglutinados por el humus y los complejos órgano-minerales, creando unas divisiones
horizontales denominadas horizontes del suelo.
La evolución natural del suelo produce una estructura vertical “estratificada” (no en el
sentido que el término tiene en Geología) a la que se conoce como perfil. Las capas
que se observan se llaman horizontes y su diferenciación se debe tanto a su
dinámica interna como al transporte vertical.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl transporte vertical tiene dos dimensiones con distinta influencia según los suelos.
La lixiviación, o lavado, la produce el agua que se infiltra y penetra verticalmente
desde la superficie, arrastrando sustancias que se depositan sobre todo por
adsorción. La otra dimensión es el ascenso vertical, por capilaridad, importante
sobre todo en los climas donde alternan estaciones húmedas con estaciones secas.
Se llama roca madre a la que proporciona su matriz mineral al suelo. Se distinguen
suelos autóctonos, que se asientan sobre su roca madre, lo que representa la
situación más común, y suelos alóctonos, formados con una matriz mineral aportada
desde otro lugar por los procesos geológicos de transporte.
1.3.2 CIMENTACIÓN
Se denomina cimentación al conjunto de elementos estructurales cuya misión es
transmitir las cargas de la edificación o elementos apoyados a este al suelo
distribuyéndolas de forma que no superen su presión admisible ni produzcan cargas
zonales. Debido a que la resistencia del suelo es, generalmente, menor que la de los
pilares o muros que soportará, el área de contacto entre el suelo y la cimentación
será proporcionalmente más grande que los elementos soportados (excepto en
suelos rocosos muy coherentes).
Las Cimentaciones son las bases que sirven de
sustentación al edificio; se calculan y proyectan
teniendo en consideración varios factores tales
como la composición y resistencia del terreno, las
cargas propias del edificio y otras cargas que
inciden, tales como el efecto del viento o el peso
de la nieve sobre las superficies expuestas a los
mismos.
La cimentación es importante porque es el grupo de elementos que soportan a la
superestructura. Hay que prestar especial atención ya que la estabilidad de la
construcción depende en gran medida del tipo de terreno.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
Generalidades
Siempre que sea posible, se preferirá que los cimientos estén solicitados por cargas
centradas, ya que las excéntricas pueden provocar empujes diferenciales.
Se buscará siempre que el terreno de apoyo sea resistente y, si eso no fuese
posible, habrá que buscar soluciones alternativas.
En muchos casos, los cimientos no solo transmiten compresiones, sino que
mediante esfuerzos de rozamiento y adherencia llegan a soportar cargas
horizontales y de tracción, anclando el edificio al terreno, si fuese necesario.
Además de estas funciones principales, los cimientos han de cumplir otros
propósitos:
Ser suficientemente resistentes para no romper por cortante.
Soportar esfuerzos de flexión que produce el terreno, para lo cual se
dispondrán armaduras en su cara inferior, que absorberán las tracciones.
Acomodarse a posibles movimientos del terreno.
Soportar las agresiones del terreno y del agua y su presión, si la hay.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILTipos de cimentación
La elección del tipo de cimentación depende especialmente de las características
mecánicas del terreno, como su cohesión, su ángulo de rozamiento interno, posición
del nivel freático y también de la magnitud de las cargas existentes. A partir de todos
esos datos se calcula la capacidad portante, que junto con la homogeneidad del
terreno aconsejan usar un tipo u otro diferente de cimentación. Siempre que es
posible se emplean cimentaciones superficiales, ya que son el tipo de cimentación
menos costoso y más simple de ejecutar. Cuando por problemas con la capacidad
portante o la homogeneidad del mismo no es posible usar cimentación superficial se
valoran otros tipos de cimentaciones.
Hay dos tipos fundamentales de cimentación: directas y profundas.
Cimentaciones superficiales o directas
Son aquellas que se apoyan en las capas superficiales o poco profundas del suelo,
por tener éste suficiente capacidad portante o por tratarse de construcciones de
importancia secundaria y relativamente livianas. En este tipo de cimentación, la
carga se reparte en un plano de apoyo horizontal.
En estructuras importantes, tales como puentes, las cimentaciones, incluso las
superficiales, se apoyan a suficiente profundidad como para garantizar que no se
produzcan deterioros. Las cimentaciones superficiales se clasifican en:
Cimentaciones ciclópeas.
Zapatas.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILo Zapatas aisladas.
o Zapatas corridas.
o Zapatas combinadas.
Losas de cimentación.
Cimentaciones ciclópeas
En terrenos cohesivos donde la zanja pueda hacerse con paramentos verticales y
sin desprendimientos de tierra, el cimiento de concreto ciclópeo (hormigón) es
sencillo y económico. El procedimiento para su construcción consiste en ir vaciando
dentro de la zanja piedras de diferentes tamaños al tiempo que se vierte la mezcla
de concreto en proporción 1:3:5, procurando mezclar perfectamente el concreto con
las piedras, de tal forma que se evite la continuidad en sus juntas. El hormigón
ciclópeo se realiza añadiendo piedras más o menos grandes a medida que se va
hormigonado para economizar material. Utilizando este sistema, se puede emplear
piedra más pequeña que en los cimientos de mampostería hormigonada. La técnica
del hormigón ciclópeo consiste en lanzar las piedras desde el punto más alto de la
zanja sobre el hormigón en masa, que se depositará en el cimiento. Precauciones:
Tratar que las piedras no estén en contacto con la pared de la zanja.
Que las piedras no queden amontonadas.
Alternar en capas el hormigón y las piedras.
Cada piedra debe quedar totalmente envuelta por el hormigón.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILZapatas aisladas
Las zapatas aisladas son un tipo de cimentación superficial que sirve de base de
elementos estructurales puntuales como son los pilares; de modo que esta zapata
amplía la superficie de apoyo hasta lograr que el suelo soporte sin problemas la
carga que le transmite. El término zapata aislada se debe a que se usa para asentar
un único pilar, de ahí el nombre de aislada. Es el tipo de zapata más simple, aunque
cuando el momento flector en la base del pilar es excesivo no son adecuadas y en
su lugar deben emplearse zapatas combinadas o zapatas corridas en las que se
asienten más de un pilar. La zapata aislada no necesita junta pues al estar
empotrada en el terreno no se ve afectada por los cambios térmicos, aunque en las
estructuras si que es normal además de aconsejable poner una junta cada 30 m
aproximadamente, en estos casos la zapata se calcula como si sobre ella solo
recayese un único pilar. Una variante de la zapata aislada aparece en edificios con
junta de dilatación y en este caso se denomina "zapata bajo pilar en junta de
diapasón".
Zapatas corridas
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILLas zapatas corridas se emplean para cimentar muros portantes, o hileras de
pilares. Estructuralmente funcionan como viga flotante que recibe cargas lineales o
puntuales separadas.
Son cimentaciones de gran longitud en comparación con su sección transversal. Las
zapatas corridas están indicadas como cimentación de un elemento estructural
longitudinalmente continuo, como un muro, en el que pretendemos los asientos en el
terreno. También este tipo de cimentación hace de arriostramiento, puede reducir la
presión sobre el terreno y puede puentear defectos y heterogeneidades en el
terreno. Otro caso en el que resultan útiles es cuando se requerirían muchas
zapatas aisladas próximas, resultando más sencillo realizar una zapata corrida.
Zapatas combinadas
Una zapata combinada es un elemento que sirve de cimentación para dos o más
pilares. En principio las zapatas aisladas sacan provecho de que diferentes pilares
tienen diferentes momentos flectores. Si estos se combinan en un único elemento de
cimentación, el resultado puede ser un elemento más estabilizado y sometido a un
menor momento resultante.
Losas de cimentación
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILUna losa de cimentación es una placa flotante apoyada directamente sobre el
terreno. Como losa está sometida principalmente a esfuerzos de flexión. El espesor
de la losa será proporcional a los momentos flectores actuantes sobre la misma. La
relación entre el espesor de la losa, los momentos flectores de la placa, las cargas
exteriores y las propiedades elásticas del hormigón de la losa viene dada por la
siguiente expresión:
Dónde:
Momentos flectores en las direcciones x e y.
Constantes elásticas del hormigón.
Carga superficial efectiva en cada punto en la cara superior de la
losa.
El coeficiente de balasto del terreno bajo la losa.
El descenso vertical en cada punto de la losa.
Cimentaciones semiprofundas
Pozos de cimentación o caissons: Son en realidad soluciones intermedias
entre las superficiales y las profundas, por lo que en ocasiones se catalogan
como semiprofundas. Algunas veces estos deben hacerse bajo agua, cuando
no puede desviarse el río, en ese caso se trabaja en cámaras presurizadas.
Arcos de ladrillo sobre machones de hormigón o mampostería .
Muros de contención bajo rasante: no es necesario anclar el muro al terreno.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Micropilotes, son una variante basada en la misma idea del pilotaje, que
frecuentemente constituyen una cimentación semiprofunda.
Cimentaciones profundas
Se basan en el esfuerzo cortante entre el terreno y la cimentación para soportar las
cargas aplicadas, o más exactamente en la fricción vertical entre la cimentación y el
terreno. Deben ubicarse más profundamente, para poder distribuir sobre una gran
área, un esfuerzo suficientemente grande para soportar la carga. Algunos métodos
utilizados en cimentaciones profundas son:
Pilotes: son elementos de cimentación esbeltos que se hincan (pilotes de
desplazamiento prefabricados) o construyen en una cavidad previamente
abierta en el terreno (pilotes de extracción ejecutados in situ). Antiguamente
eran de madera, hasta que en los años 1940 comenzó a emplearse el
hormigón.
Pantallas: es necesario anclar el muro al terreno.
o pantallas isostáticas: con una línea de anclajes
o pantallas hiperestáticas: dos o más líneas de anclajes.
Cimentaciones de máquinas
A diferencia de las cimentaciones de edificación, que generalmente están sometidas
a cargas estáticas o cuasiestáticas, las cimentaciones de maquinaria están
sometidas frecuentemente a cargas cíclicas. La existencia de cargas cíclicas obligan
a considerar el estado límite de servicio de vibraciones y el estado límite último de
fatiga.
Algunos tipos de cimentación usados para maquinaria son:
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Tipo bloque
Tipo celdas
De muros
Porticadas
Con pilotes
Sobre apoyos elásticos
De soporte
1.3.3 Gravas
En geología y en construcción, se denomina grava a las rocas de tamaño
comprendido entre 2 y 64 milímetros. Pueden ser producidas por el ser humano, en
cuyo caso suele denominarse «piedra partida» o «caliza», o resultado de procesos
naturales. En este caso, además, suele suceder que el desgaste natural producido
por el movimiento en los lechos de ríos haya generado formas redondeadas, en
cuyo caso se conoce como canto rodado. Existen también casos de gravas
naturales que no son cantos rodados.
Estos áridos son partículas granulares de material pétreo (es decir, piedras) de
tamaño variable. Este material se origina por fragmentación de las distintas rocas de
la corteza terrestre, ya sea en forma natural o artificial. En este último caso actúan
los procesos de chancado o triturado utilizados en las respectivas plantas de áridos.
El material que se procesa corresponde principalmente a minerales de caliza,
granito, dolomita, basalto, arenisca, cuarzo y cuarcita.
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Aplicación
La grava se usa como árido en la fabricación de hormigones (véase grava
(hormigón)). También, como lastre y revestimiento protector en cubiertas planas no
transitables, y como filtrante en soleras y drenajes.
Se usa como árido en la fabricación de hormigones. También como lastre y
revestimiento protector en cubiertas planas no transitables, y como filtrante en
soleras y drenajes. Por lo general la grava es de diámetro reducido, generalmente
entre 6,4 y 9,5 mm (1/4 y 1/3 de pulgada) que ha sido cribada en condiciones
determinadas.
La arena y la gravilla se extraen y se tratan de diferentes maneras en todo el mundo.
Nuestras bombas de hierro resistentes para dragado y gravilla, las bombas para lodo
revestidas de goma y las válvulas para lodo se usan mucho en esta industria en todo
el mundo.
En todas partes del mundo donde se construyen caminos, edificios e infraestructura
se necesitan cantidades importantes de arena y gravilla en las cercanías del sitio de
la construcción. Esto a menudo implica el dragado y el lavado de la arena y/o gravilla
para eliminar impurezas indeseables del material y para satisfacer las
especificaciones requeridas.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILObtención
Como fuente de abastecimiento se pueden distinguir las siguientes situaciones:
Bancos de sedimentación: son los bancos construidos artificialmente para
embancar el material fino-grueso que arrastran los ríos.
Cauce de río: corresponde a la extracción desde el lecho del río, en donde se
encuentra material arrastrado por el escurrimiento de las aguas.
Pozos secos: zonas de antiguos rellenos aluviales en valles cercanos a ríos.
Canteras: es la explotación de los mantos rocosos o formaciones geológicas,
donde los materiales se extraen usualmente desde cerros mediante lo que se
denomina tronadura o voladura (rotura mediante explosivos).
¿De dónde sale la grava?
Está se puede obtener en los ríos, el choque de las piedras desprenden pedazos de
ellas, las que son arrastradas por las corrientes fluviales, estas llegan a oscilar entre
los 2mm a 20 mm, en tanto la piedra triturada tiene tamaños comprendidos entre los
rangos que van desde los 2mm a 64 mm de diámetro.
Está es mejor grava dada su uniformidad, ya que provienen de solo un tipo de roca,
generalmente de origen volcánico, La piedra de los ríos al ser arrastradas por el flujo
laminar de las corrientes, va tomando una forma circular o semi circular a lo que
llamamos canto rodado y es producto de la naturaleza, en cambio el otro tipo de
grava es fabricado por el hombre por medio de trituradoras.
Las piedras que se utilizan principalmente son minerales de caliza, granito,
dolomita, basalto, arenisca, cuarzo y cuarcita, que al ser trituradas (pulverizadas)
toman los nombres de piedra partida o chancada.
Los procesos para obtener grava son de orden natural o de forma artificial,
anteriormente explicados.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILTipos de gravas
Áridos-Arena molida Mortero 0,3 mm.
Este árido procede del triturado y lavado del material rodado y calizo natural de
nuestra gravera, tiene un alto equivalente de arena de mas de 90 y alta limpieza. Los
principales usos de este árido son para la edificación y obra civil, se utiliza para
morteros de albañileria, revestimientos y enlucidos de fachadas, mortero para
cimentaciones y muros, rellenos en zanjas de tuberias y cables, etc. MARCADO CE
Norma EN 13139.
Áridos-Arena Lavada Hormigón 0/4 mm.
Este arido se elabora con material redondo natural lavado y tiene las propiedades
optimas para los hormigones mas resistentes. El principal uso es para la fabricación
de todo tipo de hormigones aunque tambien se utiliza para relleno de suelos, como
capa de protección de depósitos, etc. MARCADO CE Norma EN 12620.
Grava Triturada lavada 6/8 mm.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
Esta grava se produce lavando y triturando nuestro material rodado procedente de
nuestra gravera. Este tipo de grava se utiliza principalmente para relleno de aceras y
adoquines.
Grava Triturada lavada 8/12 mm.
Esta grava se produce lavando y triturando nuestro material rodado procedente de
nuestra gravera,tiene muy buena resistencia a la fragmentacion y gracias al
elaborado proceso conseguimos un indice muy bajo de lajas. Este tamaño de grava
se usa principalmente para la fabricación de hormigon, aunque tambien se utiliza
para rellenos de grava en suelos,drenajes, etc. MARCADO CE Norma EN 12620.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
Grava Triturada lavada 12/20 mm.
Esta grava se produce lavando y triturando nuestro material rodado procedente de
nuestra gravera, matiene una alta resistencia a la fragmentacion y a pesar de su
tamaño tiene un muy bajo indice de lajas. Este tamaño de grava también es el mas
utilizádo para la fabricación de hormigon, aunque tambien se utiliza para relleno para
drenajes, rellenos de cimentaciones, piscinas, etc. MARCADO CE Norma EN 12620.
Grava Triturada lavada 22/35 mm.
Esta grava se produce lavando y triturando nuestro material rodado procedente de
nuestra gravera, es la grava de machaqueo de mayor tamaño que se produce. Este
tamaño de grava es el mas utilizado para rellenos de pistas, drenajes, relleno de
pozos, para cunetas de carreteras, etc.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILZahorra artificial
La Zahorra Artificial se compone de arena y grava que anteriormente han sido
producidas para el lavado y machaqueo del material todouno procedente de nuestra
gravera. La zahorra artificial se utiliza para la composición por capas de firmes de
carreteras u otras obras civiles. Las variantes de zahorra artificial que fabricamos
segun la granometria son 0/12 mm y 0/40 mm.
1.4 MATERIALES PÉTREOS UTILIZADOS EN LAS OBRAS Y EDIFICACIÓN
Son los materiales naturales, o estos adaptados por el hombre, que sirven como
base para elaborar elementos componentes de una obra civil o arquitectónica.
De acuerdo a la definición de la RAE, pétreo (del latín «petreus») es aquel material
proveniente de la roca, piedra o peñasco; regularmente se encuentran en forma de
bloques, losetas o fragmentos de distintos tamaños, esto principalmente en la
naturaleza, aunque de igual modo existen otros que son procesados e
industrializados por el hombre
Clasificación
Dentro de la clasificación de los materiales pétreos podemos encontrar 3 tipos:
Naturales.- Están localizados en yacimientos naturales, para utilizarlos sólo es
necesario que sean seleccionados, refinados y clasificados por tamaños.
Comúnmente se hallan en yacimientos, canteras y/o graveras.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILArtificiales.- Estos se localizan en macizos rocosos, para obtenerlos se emplean
procedimientos de voladura con explosivos, posteriormente se limpian, machacan y
clasifican y con ello se procede a utilizarlos.
Industriales.- Son aquellos que han pasado por diferentes procesos de fabricación,
tal como productos de desecho, materiales calcinados, procedentes de demoliciones
o algunos que ya han sido manufacturados y mejorados por el hombre.
Usos y aplicaciones
Algunos ejemplos del uso de estos materiales incluyen el yeso, que mezclado con
agua se puede utilizar en la construcción de bóvedas, tabiques, placas y moldes, así
como el cemento y hormigón, que se emplean principalmente en el área de
ingeniería civil o arquitectura, ya que se usan para fabricación de estructuras,
columnas, elementos decorativos, etcétera. También se emplean en la elaboración
de carreteras, vías férreas, esculturas, recubrimiento de suelos y paredes. Así pues,
este tipo de materiales se han vuelto importantes en la industria ya que se utilizan en
todo tipo de proyectos, desde lo más sencillo como elaborar firmes de carretera,
revestimientos de pavimentos, hasta algo más complejo como pueden ser edificios
de grandes proporciones.
EJEMPLOS
Algunos tipos de materiales pétreos son el mármol, el granito, la pizarra, vidrio, yeso
y cemento entre una gran gama de materiales que se pueden procesar y crear, y
cada uno de ellos cumple una función importante y singular en el área de la
construcción.
1.4.1 Tipos de rocas
Las rocas se pueden clasificar atendiendo a sus propiedades, como la composición
química, la textura, la permeabilidad, entre otras. En cualquier caso, el criterio más
usado es el origen, es decir, el mecanismo de su formación. De acuerdo con este
criterio se clasifican en ígneas (o magmáticas), sedimentarias y metamórficas,
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILaunque puede considerarse aparte una clase de rocas de alteración, que se
estudian a veces entre las sedimentarias.
Rocas ígneas
Se forman gracias a la solidificación del magma, una
masa mineral fundida que incluye volátiles, gases
disueltos. El proceso es lento, cuando ocurre en las
profundidades de la corteza, o más rápido, si acaece en
la superficie. El resultado en el primer caso son rocas
plutónicas o intrusivas, formadas por cristales gruesos y
reconocibles, o rocas volcánicas o extrusivas, cuando el
magma llega a la superficie, convertido en lava por desgasificación.
Dependiendo de la composición del magma de partida, más o menos rico en sílice
(SiO2), se clasifican en ultramáficas (ultrabásicas), máficas (básicas), intermedias y
félsicas (ácidas), siendo estas últimas las más ricas en sílice. En general son más
ácidas las más superficiales.
Las estructuras originales de las rocas ígneas son los plutones, formas masivas
originadas a gran profundidad, los diques, constituidos en el subsuelo como rellenos
de grietas, y coladas volcánicas, mantos de lava enfriada en la superficie. Un caso
especial es el de los depósitos piroclásticos, formados por la caída de bombas
volcánicas, cenizas y otros materiales arrojados al aire por erupciones más o menos
explosivas. Los conos volcánicos se forman con estos materiales, a veces
alternando con coladas de lava solidificada (conos estratificados).
Rocas sedimentarias
Los procesos geológicos que operan en la superficie
terrestre originan cambios en el relieve topográfico
que son imperceptibles cuando se estudian a escala
humana, pero que alcanzan magnitudes
considerables cuando se consideran períodos de
decenas de miles o millones de años. Así, por
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILejemplo, el relieve de una montaña desaparecerá inevitablemente como
consecuencia de la meteorización y la erosión de las rocas que afloran en superficie.
En realidad, la historia de una roca sedimentaria comienza con la alteración y la
destrucción de rocas preexistentes, dando lugar a los productos de la meteorización,
que pueden depositarse in situ, es decir, en el mismo lugar donde se originan,
formando los depósitos residuales, aunque el caso más frecuente es que estos
materiales sean transportados por el agua de los ríos, el hielo, el viento o en
corrientes oceánicas hacia zonas más o menos alejadas del área de origen.
Se constituyen por diagénesis (compactación y cementación) de los sedimentos,
materiales procedentes de la alteración en superficie de otras rocas, que
posteriormente son transportados y depositados por el agua, el hielo y el viento, con
ayuda de la gravedad o por precipitación desde disoluciones.1 También se clasifican
como sedimentarios los depósitos de materiales organógenos, formados por seres
vivos, como los arrecifes de coral, los estratos de carbón o los depósitos de petróleo.
Las rocas sedimentarias son las que típicamente presentan fósiles, restos de seres
vivos, aunque éstos pueden observarse también en algunas rocas metamórficas de
origen sedimentario.
Las rocas sedimentarias se forman en las cuencas de sedimentación, las
concavidades del terreno a donde los materiales arrastrados por la erosión son
conducidos con ayuda de la gravedad. Las estructuras originales de las rocas
sedimentarias se llaman estratos, capas formadas por depósito, que constituyen
formaciones a veces de gran potencia (espesor).
Rocas metamórficas
En sentido estricto es metamórfica cualquier roca
que se ha producido por la evolución de otra
anterior al quedar está sometida a un ambiente
energéticamente muy distinto de su formación, mucho más caliente o más frío, o a
una presión muy diferente. Cuando esto ocurre la roca tiende a evolucionar hasta
alcanzar características que la hagan estable bajo esas nuevas condiciones. Lo más
común es el metamorfismo progresivo, el que se da cuando la roca es sometida a
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILcalor o presión mayores, aunque sin llegar a fundirse (porque entonces entramos en
el terreno del magmatismo); pero también existe un concepto de metamorfismo
regresivo, cuando una roca evolucionada a gran profundidad — bajo condiciones de
elevada temperatura y presión — pasa a encontrarse en la superficie, o cerca de
ella, donde es inestable y evoluciona a poco que algún factor desencadene el
proceso.
1.4.2 Ciclo litológico
El ciclo litológico o ciclo de las
rocas es un concepto de geología que
describe las transiciones de
material en el tiempo geológico que
permiten que toda roca pueda
transformarse en uno de estos tres
tipos: Rocas sedimentarias, Rocas
metamórficas y rocas ígneas. Las rocas pueden pasar por cualquiera de los tres
estados cuando son forzadas a romper el equilibrio. Una roca ígnea como el basalto
puede partirse y disolverse cuando se expone a la atmósfera, o volver a fundirse al
subducir por debajo de un continente. Debido a las fuerzas generadoras del ciclo de
las rocas, las placas tectónicas y el ciclo del agua, las rocas no pueden mantenerse
en equilibrio y son forzadas a cambiar ante los nuevos ambientes.
Desarrollo histórico
El concepto original del ciclo de las rocas es habitualmente atribuido al que se
considera "el padre de la geología", James Hutton (1726–1797). El ciclo de las rocas
fue una parte del uniformitarianismo (o uniformismo) y su famosa cita: 'no hay
vestigio del principio, y no hay una predicción de un fin', aplicado en particular al
ciclo de las rocas y al ciclo geológico. Este concepto de ciclo de las rocas se
mantuvo vigente hasta la revolución que supuso el descubrimiento de las placas
tectónicas en la década de 1960. Con el desarrollo y comprensión
Del motor de las placas tectónicas, el ciclo de las rocas cambió hasta como lo
conocemos hoy en día. El ciclo de Wilson desarrollado por J. Tuzo Wilson durante
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILlos años 50 del siglo XX, ayudó a entender el proceso de renovación de material
desde las zonas de subducción hasta los valles divergentes.
EL CICLO
Transición a ígneas
Cuando las rocas son levantadas del interior
de la Tierra hasta la superficie, éstas suelen
estar fundidas en magma. Si las condiciones
para que el magma permanezca líquido no
perduran, el magma se enfriará y solidificará en una roca ígnea. Una roca que se
enfría en el interior de la Tierra se denomina intrusiva o plutónica y su enfriamiento
será muy lento, produciendo una estructura cristalina de granos gruesos. Como
resultado de la actividad volcánica el magma puede llegar a enfriarse en la superficie
de forma muy rápida, dando lugar a las rocas extrusivas o rocas volcánicas. Estas
rocas tienen unos granos muy finos y algunas veces se enfrían tan rápido que no
forman cristales visibles, como el caso de la obsidiana (vidrio) o el basalto
(microcristalino). Cualquiera de los tres tipos de roca tiene su origen en magma
fundido y enfriado.
Cambios post-volcánicos
Las masas de rocas de origen ígneo
empiezan a cambiar tan pronto como
empiezan a enfriarse. Los gases que se
encuentran mezclados en el magma
empiezan a disiparse lentamente y los
flujos de lava pueden tardar muchos años en enfriarse. Estos gases atacan los
componentes de las rocas y depositan minerales en las cavidades y fisuras. La
zeolita es muy conocida por este origen. Incluso antes de los procesos post-
volcánicos hayan cesado la descomposición atmosférica y la meteorología empieza
a reaccionar con el mineral volcánico, especialmente aquellos que no sean estables
con nuestra atmósfera. La lluvia, el frío, el ácido carbónico, el oxígeno y otros
agentes operan continuamente sobre las rocas, arrastrando aquellos minerales
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILsolubles en agua o produciendo nuevos productos (como por ejemplo oxidando el
hierro). En la clasificación de rocas estos cambios son considerados generalmente
no esenciales: las rocas son clasificadas y descritas como si estuvieran frías, lo que
es habitual en la naturaleza
Cambios secundarios
El cambio epigenético (procesos secundarios) pueden ser tratados de diversas
maneras, cada una dependerá del grupo de rocas o de los minerales constituyente,
además usualmente hay más de un proceso involucrado en la alteración de la roca.
La silificación, que es reemplazar minerales por cristales o silicatos, es muy común
en materiales félsicos, como la riolita o la serpentinita. La kaolinización es la
descomposición del feldespato en rocas más comunes como el caolín (además de
cuarzo con arcillas). También el granito y la sienita sufren procesos similares. La
serpentinización es la alteración del olivino al grupo de la serpentina (con magnetita),
es típica de las peridotitas, pero ocurre sobre todo en rocas máficas. En la
uralitización secundaria la Hornblenda remplaza la augita. La cloritización es la
alteración de la augita hasta el grupo de las cloritas y dioritas. La epidotización
ocurre también en rocas de este grupo y consiste en el desarrollo de epidotita desde
biotita, hornblenda, augita o plagioclasa de feldespato.
Transición a metamórfico
Las rocas expuestas a altas
temperaturas y presiones pueden
cambiar física o químicamente para
formar un roca diferente, llamada
metamórfica. Los metamorfismos regionales se refieren a efectos de grandes masas
de rocas sobre una región amplia, generalmente asociada con una cordillera
montañosa, especialmente en procesos orogénicos. Estas rocas exhiben distintos
estratos de distinta mineralogía y colores, llamada foliación. Otro tipo de
metamorfismo está causado cuando un cuerpo de roca entra en contacto con una
intrusión ígnea que calienta la roca que lo rodea. Este contacto metamórfico da
como resultado una roca recristalizada por el calor extremo, o incluso con minerales
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILañadidos por los fluidos del magma que puede cambiar la química de la roca, lo que
se denomina metasomatismo.
Transición a sedimentaria
Las rocas expuestas a la atmósfera terrestre
están sujetas a procesos erosivos y
meteorológicos. El agua, el viento, la nieve, la
contaminación o la biología pueden cambiar su
química o su forma. La erosión y la
meteorología rompen la roca original en trozos más pequeños y lo acarrean hasta
otros lugares, donde pueden ir disolviéndolos poco a poco, disgregándolos. Este
material disgregado puede volver a asentarse en estratos y formar de nuevo una
roca, es el caso de la arenisca que está formada por granos de arena compactados.
Hay veces que la fusión puede ser tan fuerte que no parece claro que el material
venga de un disgregado, son el caso de lutitas. Otra fuente importante de rocas
sedimentarias son los restos biológicos que pueden formar rocas sedimentarias
cementadas, como el travertino. Todas las rocas calizas provienen de procesos de
sedimentación, generalmente biológica y las cuevas son lugares de nueva formación
continua de rocas sedimentarias.
1.4.3 Utilidades de las rocas: tajadas, terraplenes, enroscamiento, terraplenes de roca.
El ser humano ha utilizado las rocas como materia prima desde su aparición como
especie, primero como utensilio, posteriormente para construir sus viviendas y más
recientemente como elemento ornamental por su belleza y como fuente de energía.
Terraplenes
En ingeniería civil se denomina
terraplén a la tierra con que se
rellena un terreno para levantar su
nivel y formar un plano de apoyo
adecuado para hacer una obra.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILPartes de unos terraplenes
Las partes de un terraplén de carretera son:
Coronación: es la capa superior del terraplén, sobre la que se apoya el firme,
con un espesor mínimo de 2 tongadas y siempre mayor de 50 cm. En esta
parte se dispone los mejores suelos del terraplén, es decir, aquellos que no
sean plásticos o tiendan a resquebrajarse o a asentarse. En España la
normativa impone las características en función del número de vehículos que
circulen por la vía.
Núcleo: es la parte del relleno tipo terraplén comprendida entre el cimiento y
la coronación.
Espaldón: es la parte exterior del relleno tipo terraplén que, ocasionalmente
formará parte de los taludes del mismo. No se consideran parte del espaldón
los revestimientos sin función estructural en el relleno entre los que se
consideran plantaciones, cubiertas de tierra vegetal, protecciones anti
erosión, etc.
Cimiento: es la parte inferior del terraplén en contacto con la superficie de
apoyo. Su espesor será como mínimo de 1 metro.
1.4.4. Yeso.
El yeso, piedra de yeso, yeso crudo, yeso natural o
aljez, es un mineral compuesto de sulfato de calcio
hidratado; también, una roca sedimentaria de origen
químico. Son minerales muy comunes y pueden formar
rocas sedimentarias mono minerales.
El yeso mineral cristaliza en el sistema monoclínico, en
cristales de hábito prismático; tabular paralelo al segundo pinacoide; de forma
rómbica con aristas biseladas en las caras. Se presenta en cristales, a veces
grandes, maclados en punta de flecha y en punta de lanza; también en masas y
agregados espáticos. Con frecuencia fácilmente exfoliable (selenita); puede ser
sacaroideo y translúcido (alabastro), incoloro, blanco, grisáceo, amarillento, rojizo o
incluso negro.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEtimología
Los términos yeso y aljez provienen del mismo étimo paleogreco, aunque por vías
distintas. Yeso está tomado del latín gypsum, mientras que aljez proviene del árabe
hispánico alǧiṣṣ, y este a su vez del árabe clásico جصص (ǧiṣṣ), del persa گچ (gač).
Tanto el persa como el latín provienen, en última instancia, del griego antiguo γύψος
(gýpsos).
Afloramientos yesíferos
El afloramiento yesífero de Sorbas es de extremada calidad debido al tipo y tamaño
de la cristalización del yeso, está libre casi por completo de impurezas, y se
encuentra depositado en estratos de más de veinte metros de espesor
perfectamente definidos, por lo que es muy apreciado en el sector minero y por ello
en la zona existen tres canteras a cielo abierto con diversos frentes de explotación
que suministran materia prima a gran parte del mundo.
En el Valle del Ebro, los suelos de yeso originan una vegetación esteparia de gran
valor ecológico llamada vegetación gipsófila. Plantas gispsófilas son la albada
(Gypsophila hispanica) y asnallo (Ononis tridentata).
Artesanales, tradicionales o multi-fases
El yeso negro es el producto que contiene más impurezas, de grano grueso,
color gris, y con el que se da una primera capa de enlucido.
El yeso blanco con pocas impurezas, de grano fino, color blanco, que se usa
principalmente para el enlucido más exterior, de acabado.
El yeso rojo, muy apreciado en restauración, que presenta ese color rojizo
debido a las impurezas de otros minerales.
Industriales o de horno mecánico
Yeso de construcción (bifase)
Grueso
Fino
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEscayola, que es un yeso de más calidad y grano más fino, con pureza mayor del
90 %.
Con aditivos
Yeso controlado de construcción
Grueso
Fino
Yesos finos especiales
Yeso controlado aligerado
Yeso de alta dureza superficial
Yeso de proyección mecánica
Yeso aligerado de proyección mecánica
Yesos-cola y adhesivos.
Establecidos en la Norma RY-85
Esta Norma española establece tipos de yeso, constitución, resistencia y usos.
1. Yeso Grueso de Construcción, designado YG
Constituido fundamentalmente por sulfato de calcio semihidrato y anhidrita II artificial
con la posible incorporación de aditivos reguladores del fraguado.
Uso: para pasta de agarre en la ejecución de tabicados en revestimientos interiores
y como conglomerante auxiliar en obra.
2. Yeso Fino de Construcción, designado YF
Constituido fundamentalmente por sulfato de calcio semihidrato y anhidrita II artificial
con la posible incorporación de aditivos reguladores del fraguado.
Uso: para enlucidos, refilos o blanqueos sobre revestimientos interiores (guarnecidos
o enfoscados)
3. Yeso de Prefabricados, designado YP
Constituido fundamentalmente por sulfato de calcio semihidrato y anhidrita II artificial
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILcon mayor pureza y resistencia que los yesos de construcción YG e YF
Uso: para la ejecución de elementos prefabricados para tabiques.
4. Escayola, designada E-30
Constituida fundamentalmente por sulfato de calcio semihidrato
con la posible incorporación de aditivos reguladores del fraguado
con una resistencia mínima a flexotracción de 30 kp/cm²
Uso: en la ejecución de elementos prefabricados para tabiques y techos.
5. Escayola Especial, designada E-35
Constituida fundamentalmente por sulfato de calcio semihidrato
con la posible incorporación de aditivos reguladores del fraguado
con una resistencia mínima a flexotracción de 35 kp/cm²
Uso: en trabajos de decoración, en la ejecución de elementos prefabricados para
techos y en la puesta en obra de estos elementos.
Nota: La anhidrita II artificial es un sulfato de calcio totalmente deshidratado,
obtenido por cocción, del aljez entre 300 °C y 700 °C aprox.
Uso odontológico
Yeso Corriente o Tipo I
Es el más débil de los yesos, debido al tamaño y forma de sus partículas. Se genera
calentando en horno abierto a más de 100 °C. Es el que necesita más cantidad de
agua, y por lo mismo es más poroso y débil. Anteriormente se usaba para la toma de
impresiones en pacientes edéntulos, pero fue reemplazado por materiales menos
rígidos como los hidrocoloides y elastomeros. Este yeso se utiliza principalmente
como impresión final(impresión de lavado) para la fabricación de prótesis completas.
Yeso París o Tipo II
Es un poco más compacto y duro que el Tipo I. Se genera horneando en autoclave
cerrado a 128 °C. Sus partículas son más pequeñas y regulares que el tipo I, por lo
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILmismo, menos poroso y frágil. También llamado "Taller" o Hemihidrato Beta. Es el
más utilizado en odontología, se utiliza para realizar montajes en articulador y para
realizar los enmuflados de cocción en la confección de prótesis.
Yeso Extraduro
Tipo III o Piedra: se calienta a más de 125 °C, bajo presión y en presencia de vapor.
Es aún más duro que el tipo II, con partículas más regulares y finas, por lo que
necesita menos agua para fraguar. Es mucho menos poroso que los otros dos,
menos frágil, por lo que se usa para modelos preliminares de estudio. También es
llamado Hemihidrato Alfa.
Tipo IV o Densita: Es igual al yeso tipo III, pero se le agregan algunas resinas que le
mejoran características como porosidad, porcentaje de absorción de agua, etc. Se
utiliza para trabajar directamente en él y para la realización de troqueles. Sus
partículas más finas le otorgan una mejor precisión en el copiado de superficies. El
agua de cristalización es eliminada hirviendo el mineral en una solución de Cloruro
de Calcio (CaCl) al 30 %. Posterirmente el CaCl es eliminado con agua a 100 °C. No
se produce Dihidrato ya que a esta temparatura la solubilidad es cero.
Tipo V o Sintético: Es el más duro de todos con un porcentaje resinoso alto, sus
características son óptimas, es decir, altamente duro y resistente, no es poroso y no
absorbe mucha agua. Es el más resistente de todos, pero su alto costo limita su uso
a la realización de modelos de exhibición.
Usos del yeso triturado
El yeso triturado se usa para mejorar las tierras agrícolas, pues su
composición química, rica en azufre y calcio, hace del yeso un elemento de
gran valor como fertilizante de los suelos, empleando el mineral pulverizado
para que sus componentes se puedan dispersar en el terreno.
Una de las aplicaciones más
recientes del yeso es la
"remediación" de suelos, esto es, la
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILeliminación de elementos contaminantes de los mismos, especialmente
metales pesados.
Es utilizado para obtener ácido sulfúrico.
Se usa como material fundente en la industria cerámica.
El polvo de aljez se emplea en los procesos de producción del cemento
Portland, donde actúa como elemento retardador del fraguado.
El yeso es la materia prima que, molturada y cocida en hornos especiales,
sirve pera obtener el yeso para construcción, profusamente utilizado en
albañilería como pasta para guarnecidos, enlucidos y revocos, o como pasta
de agarre y de juntas.
También es utilizado para obtener estucados, paneles de yeso prefabricados
y escayolas.
1.4.4.1 Naturaleza del yeso
En estado natural el aljez, piedra de yeso o yeso crudo, contiene 79,07% de sulfato
de calcio anhidro y 20,93% de agua y es considerado una roca sedimentaria,
incolora o blanca en estado puro, sin embargo, generalmente presenta impurezas
que le confieren variadas coloraciones, entre las que encontramos la arcilla, óxido de
hierro, sílice, caliza, vermiculita, etc.
En la naturaleza se encuentra la anhidrita o karstenita, sulfato cálcico, CaSO4,
presentando una estructura compacta y sacaroidea, que absorbe rápidamente el
agua, ocasionando un incremento en su volumen hasta de 30% ó 50%, siendo el
peso específico 2,9 y su dureza es de 2 en la escala de Mohs.
Estado natural
En estado natural el aljez, piedra de yeso o yeso crudo, contiene 79,07% de sulfato
de calcio anhidro y 20,93% de agua y es considerado una roca sedimentaria,
incolora o blanca en estado puro, sin embargo, generalmente presenta impurezas
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILque le confieren variadas coloraciones, entre las que encontramos la arcilla, óxido de
hierro, sílice, caliza, vermiculita, etc.
En la naturaleza se encuentra la anhidrita o karstenita, sulfato cálcico, CaSO4,
presentando una estructura compacta y sacaroidea, que absorbe rápidamente
el agua, ocasionando un incremento en su volumen hasta de 30% ó 50%, siendo
el peso específico 2,9 y su dureza es de 2 en la escala de Mohs.
También se puede encontrar en estado natural la bassanita, sulfato cálcico
hemihidratado, CaSO4·½H2O, aunque raramente, por ser más inestable.
Proceso
El yeso natural, o sulfato cálcico bihidrato CaSO4·2H2O, está compuesto por sulfato
de calcio con dos moléculas de agua de hidratación.
Si se aumenta la temperatura hasta lograr el desprendimiento total de agua,
fuertemente combinada, se obtienen durante el proceso diferentes yesos empleados
en construcción, los que de acuerdo con las temperaturas crecientes de
deshidratación pueden ser:
Temperatura ordinaria: piedra de yeso, o sulfato de calcio bihidrato: CaSO4· 2H2O.
107 °C: formación de sulfato de calcio hemihidrato: CaSO4·½H2O.
107–200 °C: desecación del hemihidrato, con fraguado más rápido que el anterior:
yeso comercial para estuco.
200–300 °C: yeso con ligero residuo de agua, de fraguado lentísimo y de gran
resistencia.
300–400 °C: yeso de fraguado aparentemente rápido, pero de muy baja resistencia
500–700 °C: yeso Anhidro o extra cocido, de fraguado lentísimo o nulo: yeso
muerto.
750–800 °C: empieza a formarse el yeso hidráulico.
800–1000 °C: yeso hidráulico normal, o de pavimento.
1000–1400 °C: yeso hidráulico con mayor proporción de cal libre y fraguado más
rápido.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL1.4.4.2 Proceso de fabricación
A continuación se muestra el proceso de
fabricación del yeso.
Extracción
El sulfato de calcio dihidratado se extrae de
las minas. El tamaño de las piedras puede ser de hasta 50 cm de diámetro.
Selección de la materia prima
Se hace una minuciosa selección de la piedra
de yeso natural, posteriormente se almacena
para su uso en el proceso de calcinación
dependiendo del tipo de yeso a fabricar.
Calcinación
Una vez seleccionado el yeso crudo, se somete a
una deshidratación parcial con una técnica de
calcinación a altas presiones con un riguroso
control de tiempo y temperatura, obteniendo
cristales de mínima porosidad y forma regular, que
permitirán producir modelos de gran dureza y resistencia.
La estructura y propiedades del producto final dependen directamente de las
condiciones de calcinación empleadas.
Trituración
La primera trituración, reduce el tamaño de las
piedras para facilitar su manejo a una
dimensión inferior a 15 cm, la segunda
trituración por medio de quebradoras permite
reducir el tamaño de las piedras de 4 a 5 cm.
Molienda y cribado
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILLa operación posterior a la trituración es la molienda, el yeso calcinado es llevado a
tolvas que dosifican la cantidad de material proporcionado a los molinos. La
proporción y distribución de los tamaños de partícula es un factor determinante con
respecto a las propiedades del producto.
Presentación
Se fabrica en colores azul, roza, verde
menta, ocre y blanco. Se envasa en
cubeta de polietileno de cierre hermético
con 25 Kg, envasados en bolsas de
polietileno de 1 Kg ó cajas de cartón
reforzado conteniendo 10 bolsas de 1 Kg.
Mezclado
Una vez que el yeso alfa está finamente
molido, se ajustan los detalles con aditivos
para que el producto responda a las
necesidades del cliente en lo que se refiere a tiempo de fraguado, viscosidad,
porosidad, resistencia mecánica, expansión de fraguado, color, entre otros factores.
Pruebas de estudio
Las pruebas y experimentos de laboratorio se llevan a cabo en etapas de producción
para cada lote, para garantizar que todos los productos cumplan las estrictas
especificaciones requeridas antes de ser envasados y expedidos.
Almacenamiento
Se selecciona el empaque correcto para cada uno de los productos, ofreciendo
envasado de óptima protección que mantenga la calidad del producto durante todo
su trayecto hasta llegar al usuario final.
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1.4.4.3 Propiedades del yeso
El yeso tiene gran aplicación en las partes de la construcción preservadas de
humedad. Constituye un mineral blando, llamado químicamente sulfato de cal
hidratado que, calcinado, molido y amasado con agua consigue endurecer
rápidamente. Recibe normalmente el nombre de yeso una vez lista la piedra para
emplear, o bien la "piedra de yeso", antes de verificar dicha preparación.
El yeso está definido por determinadas propiedades físicas y químicas,
interrelacionadas entre sí directa o indirectamente. En función de estas propiedades,
intrínsecas o bien derivadas del proceso de fabricación (extracción, disposición del
hornete, grado de cocido o molido), vendrá dado su uso en construcción.
A su vez, el modo de hidratarlo también determinará el resultado final (temperatura
del agua, proporción de ésta con el yeso,..). Las propiedades que marcan el carácter
del yeso son principalmente:
Solubilidad.
El yeso es poco soluble en agua dulce (10 gramos por litro a temperatura ambiente).
Sin embargo, en presencia de sales su grado de solubilidad se incrementa
notablemente. Desgraciadamente, la salinidad siempre aparece al contacto con el
exterior. Por eso es recomendable el uso del yeso preferiblemente al interior, a
menos que se pueda impermeabilizar mediante algún procedimiento. La solubilidad
aumentará también por factores como la finura.
Finura del molido.
Como hemos comentado anteriormente, el yeso, una vez deshidratado debe ser
molido para su utilización. La finura de molido influye en gran parte en las
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILpropiedades que adquiere el yeso al volverlo a hidratar. La posibilidad de uso del
yeso para la construcción reside en que al amasarlo con agua, reacciona formando
una pasta que endurece constituyendo un conjunto monolítico. Se comprende
fácilmente que, cuanto mayor sea el grado de finura del yeso, más completa será la
reacción y, consecuentemente, la calidad del producto obtenido. La velocidad de
fraguado es proporcional al grado de disolución, con lo que podemos afirmar que el
yeso morirá antes (fraguado rápido). Este último factor limitará el tiempo del
trabajador. Si el yeso muere pronto es apropiado para enlucidos (lucidos), o bien
para acabados rápidos.
Velocidad de fraguado.
El yeso se caracteriza por fraguar con rapidez, por lo que es recomendable para su
uso hidratarlo en pequeñas cantidades. Esta propiedad depende de tres factores:
El propio yeso (grado de finura, pureza, punto de cocido,...
Las condiciones de hidratación (la temperatura del agua, la concentración del yeso
en el agua, el modo de amasar la pasta al hidratarlo).
Agentes externos como la humedad o la temperatura.
A su vez, la rapidez de fraguado del material, nos indica el grado de resistencia con
que concluirá una vez consolidado.
Resistencia mecánica.
Un yeso de alto grado en finura, velocidad de fraguado, concentración de yeso y
temperatura del agua y de atmósfera, será también de alta resistencia mecánica.
El grado de cocido
También afectará a todas estas propiedades. Es necesario encontrar el punto justo
de cocido, siendo perjudicial que esté tanto sobrecosido como falto. También es
conveniente no emplear el yeso recién cocido, se acentuaría la rapidez de fraguado,
impidiendo trabajar con comodidad.
Permeabilidad.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILQuizá el problema más difícil de resolver, sobre todo para su uso al exterior, es el de
su impermeabilización. La solubilidad se ve acentuada por el grado porosidad, y el
yeso posee un grado alto. Por esto, el agua puede penetrar cómodamente a través
de la red capilar, acelerando la disolución, y consecuentemente la pérdida del
material. En los Monegros el empleo del yeso ha sido tanto al interior como al
exterior de las viviendas. El tiempo se ha hecho cargo de demostrar la inadecuación
de yeso en paramentos expuestos a la intemperie. En paredes interiores el resultado
ha sido más duradero. Para los pavimentos, los trabajadores además le añadían una
última mano con cera de abeja, incrementando así su tiempo de vida útil. Todavía
ahora no termina de encontrarse un medio de impermeabilización del todo efectivo,
además de ser caros. Por ello, su ubicación es preferentemente interior.
Adherencia.
Disminuye en contacto con el agua, siendo buena en medio seco, tanto con
materiales pétreos como metálicos.
Corrosión.
Al igual que sucede con la adherencia, en presencia de agua este material reacciona
perjudicando.
Resistencia al fuego.
Es de destacar su buena resistencia al fuego, considerándose buen aislante.
1.4.4.4 Ensayos del yeso
Amasado a saturación. relación agua / yeso.
Para este ensayo se necesita un recipiente cilíndrico de vidrio (en nuestro caso
hemos utilizado un vaso de precipitados) de unos 66mm de diámetro y unos 66 mm
de altura, con marcas a los 16 mm y a los 32mm de altura sobre la superficie de la
base, un cronómetro y una balanza de precisión de +- 0,1g.
Se vierte en el recipiente de vidrio 100 g de agua
teniendo cuidado de no mojar la parte superior de
las paredes del recipiente cilíndrico. Se determina
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILla masa Mo con una precisión de +-0,5g. El tiempo total para realizar el ensayo debe
ser de (120+-5) s.
Primeramente se espolvorea el yeso uniformemente sobre la superficie del agua, de
forma que al cabo de 30 s la pasta de yeso haya alcanzado la primera marca y la
segunda al cabo de los 60 s. Se continúa espolvoreando yeso hasta que al cabo de
(90+-) s la pasta de yeso haya alcanzado unos 2 mm por debajo de la superficie del
agua. Durante los 20 a 40 s posteriores, la cantidad de yeso espolvoreada en la
superficie del agua y por los bordes del recipiente debe ser los suficientes para que
la capa de agua desaparezca. Su aparecieran pequeños grumos de yeso durante la
operación, éstos deberían haberse humectada al cabo de 3 a 5 s.
Determinación de tiempos de fraguado: (método del cuchillo)
El tiempo de principio de fraguado es el tiempo, en minutos, en que los bordes de
una hendidura producida por la hoja de un cuchillo sobre la pasta de yeso dejan de
acercarse.
Se utilizará para realizar este ensayo un cuchillo de longitud de filo de unos 100mm,
16mm de anchura y espesor del borde superior de la hoja de 1mm
aproximadamente, con sección transversal en forma de cuña, una espátula, placas
de vidrio listas, u cronómetro y un recipiente de amasa fabricado en material no
reactivo.
Se prepara la pasta de yeso con la consistencia determinada en el ensayo de
amasado a saturación del apartado anterior.
Se debe anotar el tiempo en se pone en contacto el yeso o el conglomerante a base
de yeso con agua (t0). La pasta de yeso se vierte entonces sobra la placa de vidrio,
agitando constantemente para formar tres galletas de unos 100 mm a 120 mm de
diámetro y de unos 5 mm de espesor.
El tiempo de principio de
fraguado debe
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILdeterminarse haciendo cortes en la galleta, tras cada corte, el cuchillo debe limpiarse
y secarse.
Para obtener el tiempo final de fraguado se ejerce con el dedo corazón una fuerza
de 55N +- 5N unos 5 kgf), sobre la superficie de las galletas, con intervalos de 30
segundos.
La aproximación al fin de fraguado se determina con pruebas sobre las galletas
primera y tercera y las huellas de ensayos, propiamente dichas, se harán sobre la
segunda galleta.
DETERMINACIÓN DEL PH: (RP 35.02 ANEXO G)
Se necesitan los siguientes aparatos:
Un pmentro comercial y disoluciones patrón de pH 4,7 y 10
Con las disoluciones patrón se establece la curva de calibrado del aparato siguiendo
las instrucciones indicadas en cada pHmentro. Igualmente se corrige el efecto de la
temperatura si el aparato no dispone del corrector adecuado.
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Se prepara una disolución de escayola con relación agua / yeso igual a 2. (Por
ejemplo 50 g de yeso en 100 g de agua).
Se agita la mezcla durante 3 minutos y se deja reposar 2 minutos.
En el líquido sobrenadante se introduce los electrodos del pHmetro.
Se efectúa tres medidas en la misma disolución y se acepta como valor de pH el
valor medio de las tres medidas efectuadas.
Preparación de las probetas de ensayo.
El yeso que se va a ensayar a flexión y compresión, se debe amasar según el
procedimiento de la mesa de sacudidas que la norma UNE-EN 13279-2 determina,
con la relación agua / yeso determinada según los procedimientos descritos en la
misma norma en función del tipo de yeso.
Inmediatamente después de la preparación, con la ayuda de una espátula para
rellenar los huecos y las esquinas, se debe pasar la pasta de yeso a los moldes
previamente engrasados. Para eliminar la aparición de burbujas de aire, se debe
elevar el molde 10 mm desde su extremo superior y dejarlo caer.
Esta operación debe repetirse 5 veces. Todo el proceso de relleno de los moldes no
debe superior los 10 minutos desde el comienzo del amasado y su superficie no
debe ser alisada. Cuando la pasta halla fragua debe eliminarse el material sobrante
con una regla metálica o un cuchillo, mediante un movimiento de sierra. Se debe
prepara de esta manera tres probetas como mínimo.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
Cuando la pasta haya adquirido el grado adecuado de resistencia, se deben
desmoldar las probetas identificándolas.
Resistencia mecánica a flexión.
Se determina la carga necesaria para romper una probeta prismática de 160 mm x
40 mm x 40 mm apoyada sobre rodillos cuyos centros estén separados 100 mm.
La probeta debe colocarse sobre los rodillos del dispositivo de flexión y mediante un
rodillo central, debe aplicarse una carga hasta que se rompa la probeta. Se anota la
carga máxima, en Newton, que soporta la probeta.
1.4.4.5 Utilización del yeso
Es utilizado profusamente en construcción como pasta para guarnecidos, enlucidos
y revoques; como pasta de agarre y de juntas. También es utilizado para obtener
estucados y en la preparación de superficies de soporte para la pintura artística al
fresco.
Prefabricado, como paneles de yeso (Dry Wall o Sheet rock) para tabiques, y
escayolados para techos.
Se usa como aislante térmico, pues el yeso es mal conductor del calor y la
electricidad.
Para confeccionar moldes de dentaduras, en Odontología. Para usos quirúrgicos en
forma de férula para inmovilizar un hueso y facilitar la regeneración ósea en una
fractura.
En los moldes utilizados para preparación y reproducción de esculturas.
En la elaboración de tizas para escritura.
En la fabricación de cemento.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILFabricación de Jarrones decorativos.
Natural pulverizado
Para mejorar las tierras agrícolas, pues su composición química, rica
en azufre y calcio, hace del yeso un elemento de gran valor como fertilizante y
también en la corrección de suelos, aunque en este caso se emplea el mineral
pulverizado y sin fraguar para que sus componentes se puedan dispersar en el
terreno.
Asimismo, una de las aplicaciones más recientes del yeso es la "remediación
ambiental" en suelos, esto es, la eliminación de elementos contaminantes de los
mismos, especialmente metales pesados. Ayuda a sustitituir el sodio por calcio y
permite que el sodio drene y no afecte a las plantas. Mejora la estructura del terreno
y aporta calcio sin aumentar el pH, como haría la cal.
De la misma forma, el polvo de yeso crudo se emplea en los procesos de producción
del cemento Portland, donde actúa como elemento retardador del fraguado.
Es utilizado para obtener ácido sulfúrico.
También se usa como material fundente en la industria, bajo temperaturas
superiores a los 4000°C.
Es utilizado profusamente en construcción como pasta para guarnecidos, enlucidos
y revoques; como pasta de agarre y de juntas. También es utilizado para obtener
estucados y en la preparación de superficies de soporte para la pintura artística al
fresco.
Prefabricado, como paneles de yeso (Dry Wall o Sheet rock) para tabiques, y
escayolados para techos.
Se usa como aislante térmico, pues el yeso es mal conductor del calor y
la electricidad.
Para confeccionar moldes de dentaduras, en Odontología. Para usos quirúrgicos en
forma de férula para inmovilizar un hueso y facilitar la regeneración ósea en una
fractura.
En los moldes utilizados para preparación y reproducción de esculturas.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEn la elaboración de tizas para escritura.
En la fabricación de cemento.
1.5 Cales
La relegada cal es uno de los materiales más reivindicados desde la bio
construcción, por sus grandes ventajas.
Existen dos tipos de cal: la cal viva (cao), la cal apagada (ca(oh)2) también existe la
lechada de cal que no es más que cal hidratada con un exceso de agua. La
fabricación de cales comprende dos procesos químicos: calcinación e hidratación.
La cal viva es obtenida a partir de la calcinación de la piedra caliza (CaCO3) por la
siguiente reacción:
CaCO3→CaO + CO2
La cal apagada se obtiene a partir dela cal viva haciendo una reacción con agua,
esta reacción es exotérmica:
CaO + H2O→Ca(OH)2
Por lo tanto la fabricación de cales comprende dos procesos químicos: calcinación
hidratación, a las cuales van asociados las operaciones de transporte, trituración y
pulverización de la caliza además de la separación por aire y el almacenamiento
adecuado de la cal obtenida para evitar los procesos de re carbonatación:
Ca(OH)2+ CO2→CaCO3+ H2O La cal expuesta al aire absorbe lentamente dióxido
de carbono y agua. Este material se llama cal aérea
Variedades de cal viva.
De acuerdo con el porcentaje dióxido de calcio las cales vivas de clasifican en dos
variedades.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Cales Grasas: son las más blancas, fabricadas con piedras calizas de gran
pureza, que en presencia de agua reaccionan con fuerte desprendimiento de
calor.
Cales Magras: son más amarillentas, mas impuras porque poseen sustancias
como arcilla, óxido de magnesio, etc., que en presencia de agua reaccionan
con poco desprendimiento de calor
Industrial:
Siderurgia: Se utiliza como fundente y escorificante.
Metalurgia: Se utiliza en los procesos de flotación; en la fundición de cobre,
plomo y zinc; en la producción de magnesio (se pueden utilizar dos tipos de
procesos de fabricación: proceso electrolítico o proceso de reducción térmica,
en este último se utiliza cal viva); en la producción de aluminio; y como
escorificante de la sílice evitando la formación de compuestos de aluminio y
sílice.
Química: Se emplea en la producción de jabón, en la fabricación del caucho y
de carburo cálcico, en la industria petrolífera, en la industria del papel y en
cosmética.
Alimentaria: Se utiliza en la industria azucarera (en concreto en la
elaboración del azúcar de remolacha); en ostricultura; en piscicultura; en la
industria cervecera, en la industria lactea; en la fabricación de colas y
gelatinas, en el tratamiento del trigo y del maíz; en la industria vinícola y en la
conservación de alimentos en contenedores de alimentos “autocalentables”,
en la nixtamalización del maíz para obtener masa de maíz nixtamalizada para
hacer tortillas mexicanas y todos los derivados de ella.
Vidrio: Su utilización proporciona vidrios más brillantes y con mejor color. La
fusión es más rápida, lo cual supone un ahorro económico durante el proceso
de fabricación del vidrio.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Curtidos: Es una de sus aplicaciones más antiguas. Los baños de lechada de
cal permiten la extracción de pelos e hinchamiento de las pieles antes del
curtido.
Construcción
Infraestructuras: En estabilización de suelos:5 para secar suelos húmedos,
descongelar los helados y mejorar las propiedades de los suelos arcillosos.
Edificación: En la fabricación de prefabricados de cal: Hormigón celular ó
aireado, ladrillos silicocalcáreos y bloques de tierra comprimida.6
La cal es un producto de construcción más, con su Marcado CE7 y su
correspondiente normalización (UNE EN-459:1, 2 y 3).
Cal apagada.
Se dice que se obtiene “cal apagada” cuando los albañiles vierten agua sobre la cal
viva en las construcciones. El apagado es exotérmico: se desprende gran cantidad
de calor que evapora parte del agua utilizada. Simultáneamente la cal viva se
desterrona y expande. Es pastosa y como es cáustica, no debe tocarse con los
dedos. El apagado de la cal viva se practica en un hoyo excavado en el terreno o
dentro de una batea de madera. Mientras el albañil añade agua, remueve
constantemente la mezcla. Después cubre con agua el producto obtenido y lo
estaciona un mínimo de 48 horas. Con cal apagada, arena y en ocasiones polvo de
ladrillo se hace la mezcla, argamasa o mortero aéreo, para asentar ladrillos, fijar
baldosas y azulejos y revocar paredes.
Cal hidratada.
La cal hidratada es hidróxido de calcio, pero la cal viva no es apagada a pie de obra,
sino en condiciones cuidadosamente controladas. El óxido de calcio debe recibir una
cantidad estrictamente necesaria de agua, obteniéndose un hidróxido como polvo
seco, que se muele finamente. La cal hidrata dase expende en bolsas de papel
impermeable de 40 kilos. Se utiliza como la cal apagada pero reporta ventajas:
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Transporte sencillo y almacenamiento en pilas.
Buena conservación, por no estar expuesta al aire.
Y aplicación inmediata, que no requiere estacionamiento previo bajo agua
durante 48 hs.
1.5.1 Utilización de las cales.
En el sector de la agrícola
La cal se usa generalmente para neutralizar los ácidos presentes en el suelo aunque
se usa mas la caliza directamente para estos fines en donde se requiere poca
pureza.
En el sector de la construcción
La cal se usa principalmente en enlucidos y estuco principalmente como cal
hidráulica la cual contiene gran cantidad de impurezas silíceas por que debido a
esto la cal hidráulica fragua bajo el agua y tiene propiedades plásticas, generalmente
se usa como sustituto del cemento, la cal hidratada se usa para la fabricación de
ladrillos de cal los cuales consisten en la cal hidráulica mas arena los cuales juntos
forman silicatos monocálcicos los cuales tienen propiedades aislantes, por esto
mismo se agrega a algunas carreteras de arena cal hidráulica para formar silicatos
sobre esta y así formar un “ cemento natural” donde obviamente no se requiere cal
de gran pureza.
En el sector de industrial
Gran parte de la caliza no sirve por problemas de pureza, por esta razón
gran parte de la cal se obtiene a partir de conchas de mar las cuales son
basadas en CaCO3 puro.
En el sector de metalurgía
La cal viva tiene un gran uso como fundente en la manufactura del acero donde se
requiere una cal de una gran pureza, además la cal se usa en el trefilado de
alambres como lubricante, también se usa en la fabricación de lingotes en moldes de
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILhierro para evitar la adherencia de estos lingotes, otro uso de la cal es para
neutralizar los ácidos con los que se limpian los productos del acero, en este sentido
se prefiere la cal para neutralizar que la caliza debido a que la caliza produce CO2 al
contacto con ácidos lo cual es un problema debido a que puede generar asfixias en
los que lo manipulan. La lechada de cal se usa como aislante temporal a la
corrosión, en el recocido del acero, se usa además en casi todos los procesos para
la extracción de Mg, también para recuperar la sílice de la bauxita, se emplea en la
flotación de minerales no férreos donde actúa como depresor y mantiene la
alcalinidad correcta, para todos estos usos metalúrgicos se requiere una cal de una
pureza superior a las anteriores y como consecuencia una caliza de una pureza
mayor de donde sintetizar esta cal.
1.5.2 Proceso de fabricación
El proceso de fabricación de las cales consta de las siguientes fases:
1. Materias primas
La materia prima para la fabricación de la cal es la piedra caliza, que, cuando es
pura, está constituida por carbonato cálcico con un 56% en peso de CaO y un 44%
de CO2.
Las calizas suelen tener impurezas casi siempre de arcillas y otras substancias
como sulfuros, álcalis y materias orgánicas. Al realizarse la cocción algunas se
eliminan volatilizándose o permanecen en pequeñas cantidades, que apenas
influyen en la calidad del producto.
La arcilla es la principal impureza que poseen las calizas y determina la
hidraulicidad de las mismas.
La fabricación de la cal comprende, en síntesis, el arranque de la piedra caliza del
yacimiento, la calcinación y el apagado.
1. Explotación de las canteras
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILSe efectúa en primer lugar un
desmonterado consistente en la extracción de
las tierras de labor que eventualmente
cubren los yacimientos calizos. Se abre
luego el frente de explotación mediante las
operaciones de perforación y barrenado.
El arranque de la piedra se realiza
empleando explosivos. Como resultado de la explosión se obtienen grandes bloques
que hay que reducir a un tamaño comprendido entre los 5 y los 10cm para hacerlos
manejables. Esta operación también se puede realizar mediante explosivos.
3. Trituración
Antes de introducir el producto en los hornos es necesario el machaqueo, el cual
puede ser seguido por una molienda según el tipo de horno del que se disponga.
Esta fase puede realizarse en cantera o en fábrica.
4. Calcinación
El calor que se suministra a la caliza para su transformación produce un primer
efecto que consiste en la evaporación del agua de cantera. Posteriormente sigue
aumentando la temperatura hasta conseguir la descomposición de la caliza.
5. Hornos
La transmisión de calor depende de la superficie de contacto, por lo que la piedra
debe tener un tamaño mínimo.
Si son piedras gruesas se necesitará más combustible y su núcleo no quedará bien
cocido, formándose así los caliches. Las piedras pequeñas en cambio dejarán poco
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILespacio para producir un tiro adecuado que lleve el CO2al exterior, pudiéndose
producir así una reversión en la reacción.
6. Sistemas de apagado
El apagado de la cal consiste en la combinación del óxido cálcico obteniéndose un
producto, el hidróxido cálcico, que aumenta de volumen respecto al producto inicial y
se desprende calor.
7. Reposo y almacenaje
En cuanto a los periodos de tiempo de reposo de una cal en pasta desde su
apagado hasta su utilización existen diferentes opiniones según la época y el autor.
Según Vázquez, por ejemplo, antes de emplear la cal apagada es conveniente
dejarla reposar 6 días. La antigua norma MV 201 establecía en cambio un periodo
de 2 semanas antes de su uso, y 20 días si la pasta de cal iba a ser empleada para
morteros para enlucidos.
1.5.3 Propiedades de las cales.
El mortero de cal es más poroso que los morteros de cemento, así, cualquier
contenido de sal en el agua se cristaliza en la cal, dañando la cal y por consiguiente
el ahorro de la mampostería. Por otra parte, el cemento evapora menos agua que el
ladrillo blando, estas cuestiones de humedad son susceptibles para provocar la
formación de la sal en las superficies de ladrillo y la consiguiente desintegración de
ladrillos.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEsta capacidad de evaporación de la humedad es ampliamente conocida como
“transpiración”. Por lo general, cualquier humedad en la pared hará que el mortero
de cal pueda cambiar el color, lo que indica la presencia de humedad.
Tradicionalmente, en las obras, antes de la utilización de mezcladores mecánicos, la
masilla de cal (cal apagada en el sitio en un pozo) se mezclaba con arena, la mezcla
se hacía con una “Larry” (una azada ancha, con agujeros grandes). Esto luego se
cubría con arena y se dejaba reposar por un tiempo (de días a semanas), un
proceso conocido como «acumulación». Este proceso no se puede hacer con OPC.
1.5.4 Ensayos de las cales
• Morteros para cimentaciones y asentamientos de piedra natural y bloques de
fábrica:
La cal aérea aporta la mayor trabajabilidad y flexibilidad debido a una mayor finura
frente a la cal hidráulica natural
Pero es preferible la cal hidráulica ya que aparte de buena trabajabilidad y
flexibilidad tiene mayor resistencia a la compresión y una mayor resistencia inicial,
con la ventaja de poder adelantar el trabajo rápido con ahorro de tiempo y dinero.
Además tolera las transferencias de humedades y sales minerales
Gracias a su mayor endurecimiento inicial la cal hidráulica natural permite al
constructor realizar trabajos en el exterior durante todo el año, también en los meses
del invierno, siempre que se proporciona una protección contra calores, hielo y
aguas pluviales durante las primeras 72 horas de cura.
• Construcción de piscinas naturales y estanques (almacenaje de aguas pluviales,
etc.):
Cal hidráulica natural (NHL 5), ya que es más impermeable, más resistente a la
compresión, más resistente a sales minerales y capaz de endurecerse incluso
debajo del agua, sin la presencia de aire.
• Revestimientos exteriores e interiores:
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILLos morteros para revestimientos exteriores, en todo caso serían a base de cal
hidráulica natural, ya que tiene la mayor resistencia mecánica, la mayor
impermeabilidad y la mejor resistencia a agresiones ambientales así como
influencias marítimas.
Los revestimientos interiores podrían ser compuestos de un revestimiento base de
mortero de cal hidráulica natural y un acabado fino (en una o varias capas) a base
de mortero de cal aérea, sin o con pigmento lo que en su totalidad es un estuco de
cal.
La elevada finura y máxima trabajabilidad de la cal aérea, que se puede aumentar
aún más trabajando con cal grasa en pasta, es necesaria para un buen resultado
final del acabado.
Su elevada porosidad es responsable para un efecto máximo de compensación de
vapores de agua en la vivienda así como un excelente aislamiento térmico.
• Lechadas y pinturas:
Para la fijación de una superficie con mala adherencia, se podrían aplicar una o
varias capas de lechada de cal aérea o cal hidráulica natural. Para la fijación de
superficies arenosas es aconsejable la cal hidráulica.
Para aumentar la adherencia de un soporte justo antes de revestir da más efecto la
lechada de cal aérea, la más grasa posible. Las pinturas serían a base de cal aérea
(color mas blanco), preferiblemente cal grasa en pasta, diluido con agua y si acaso
mezclado con pigmentos aptos para la cal. La cal en pasta, para pintar, debe estar
elaborada de las capas superiores (con ausencia de partículas gordas sin apagar)
de la cal que ha reposado bajo el agua durante un tiempo de meses o años.
Es aconsejable añadir a la pintura un estabilizante natural que entrará en reacción
con la cal, como la caseína por ejemplo, ya que de esta forma se aumenta su
resistencia al tacto.
La humidificación del soporte y el control de la desecación del filme de pintura es de
gran importancia ya que la falta de agua es incompatible con la carbonización de la
cal.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl ámbito de aplicación de pinturas de cal son más bien interiores ya que las pinturas
de cal son sensibles a las variaciones climáticas (hielo, sol, viento y humedad). Pues
exigen un alto grado de mantenimiento en exteriores.
• Fijación de tejas, solería (interior y exterior) y piezas de decoración y murales:
• Estabilizar tierra con cal:
Se puede estabilizar la tierra para la fabricación de adobes o tapial y conseguiremos
aumentar su resistencia mecánica así como su resistencia al agua. Los suelos muy
arcillosos (40% o más) se estabilizan mejor con cal aérea.
Los suelos muy arenosos se estabilizan mejor con cal hidráulica para ganar más
resistencia.
A parte de mezclarlo todo bien, para asegurar un buen proceso de endurecimiento,
las mezclas de tierra y cal hidráulica se deben poner en obra pronto, evitando el
secado rápido, ya que, si no se puede perder con facilidad el 50% de resistencia.
La cal viva en polvo puede ser utilizada para estabilizar pero tiene la desventaja de
producir mucho calor y puede dañar peligrosamente la piel. Por causa del calor de
hidratación tiende a secar el suelo rápidamente con el riesgo de dilatación. En
general se aplica un 5% de estabilizante ya que menos cal casi significa una pérdida
de resistencia. La estabilización no es una ciencia exacta por ello depende del
técnico o constructor, es mejor hacer bloques de prueba para realizar ensayos. El
propósito de estos ensayos es encontrar la menor cantidad de estabilizante que
satisfaga los requerimientos.
1.5.5 Clasificación
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
Cal grasa
Si la roca caliza original contiene menos del 5% de arcilla, al producto final después
del cocimiento se le conoce como cal grasa y es un producto que al hidratarse se
convierte en una pasta de color blanco, adherente, untuosa, trabada y que tiene la
propiedad de entrelazar los materiales pétreos endureciéndose en el aire, razón por
la cual se utiliza como aglomerante en la construcción de obras.
Cal magra
Si la roca caliza original contiene menos del 5% de arcilla pero más del 10% de
magnesia al producto final después del cocimiento se le conoce como cal magra y al
hidratarse, genera mayor cantidad de calor que las cales grasas, dando un producto
de color grisáceo, poco untuoso, poco adherente y poco trabado que al endurecerse
se convierte en polvo razón por la cual no se usa como aglomerante.
Cal hidráulica
Si la roca caliza original posee más del 5% de arcilla, al producto final después del
cocimiento se le conoce con el nombre de cal hidráulica y además de las
propiedades que posee la cal grasa tiene la propiedad de endurecer dentro y fuera
del agua, razón por la cual se utiliza en la construcción de obras hidráulicas.
UNIDAD 2
2. Conglomerantes Hidráulicos
En 1756 John Smeaton, descubrió que se podía producir un cemento hidráulico
quemando piedra caliza mezclada con arcilla.
En 1812 Louis Vicat demostró que la hidraulicidad (propiedad de fraguado el agua)
de estos conglomerante era el resultado de quemar conjuntamente piedra caliza y
arcilla.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEn 1824 Joseph Aspdin patento lo hoy se conoce como cemento Portland.
Alcanzaban gran estabilidad en este tipo de mezclas debido a una reacción que se
da entre la cal, la sílice y la alúmina contenidas en los materiales citados,
consiguiendo así una naturaleza comparable a la que se obtiene con la hidratación
de los conglomerantes hidráulicos modernos. Sin embargo; es a partir del S-XVIII
cuando se inicia la producción de conglomerantes hidráulicos, es decir; materiales
capaces de fraguar o endurecer en presencia del agua.
Los conglomerantes hidráulicos se remonta al año 1756.La influencia de la tradición
romana probablemente haya retrasado el descubrimiento de los conglomerantes
hidráulicos, ya que es común en la literatura romana que se insista en que para
tener una buena cal hay que procesar una caliza muy pura. Por lo tanto, las calizas
arcillosas eran rotundamente desechadas, quedando limitado su aprovechamiento a
otro tipo de tareas constructivas.
Los primeros conglomerantes producidos de esta forma, tenían las características de
los cementos rápidos actuales; poseían mucha adherencia lo que les facilitaba su
compactación, condición que no se debía al secado de la mezcla o a la
carbonatación de la cal, sino a la reacción que se daba entre los materiales que los
conformaban y el agua.
2.1 Cementos
El cemento es un conglomerante formado a partir de
una mezcla de caliza y arcilla calcinadas y
posteriormente molidas, que tiene la propiedad de
endurecerse al contacto con el agua. Hasta este punto
la molienda entre estas rocas es llamada Clinker, esta
se convierte en cemento cuando se le agrega yeso,
este le da la propiedad a esta mezcla para que pueda
fraguar y endurecerse. Mezclado con agregados
pétreos (grava y arena) y agua, crea una mezcla uniforme, maleable y plástica que
fragua y se endurece, adquiriendo consistencia pétrea, denominada hormigón (en
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEspaña, parte de Suramérica y el Caribe hispano) o concreto (en México y parte de
Suramérica). Su uso está muy generalizado en construcción e ingeniería civil.
Desde la antigüedad los griegos aprendieron a crear mezclas resistentes al agua
añadiéndoles tierra y paja.
Asimismo, los romanos generalizaron el uso de las mezclas de cal con puzolana,
teniendo al día de hoy el vestigio de sus grandes obras.
Alcanzaban gran estabilidad en este tipo de mezclas debido a una reacción que se
da entre la cal, la sílice y la alúmina contenidas en los materiales citados,
consiguiendo así una naturaleza comparable a la que se obtiene con la hidratación
de los conglomerantes hidráulicos modernos. Sin embargo; es a partir del S-XVIII
cuando se inicia la producción de conglomerantes hidráulicos, es decir; materiales
capaces de fraguar o endurecer en presencia del agua.
2.1.1. Constituyentes del cemento.
Los cementos están compuestos de diferentes materiales (componentes) que
adecuadamente dosificadas mediante un proceso de producción controlado, le dan
al cemento las cualidades físicas, químicas y resistencias adecuadas al uso
deseado.
Existen, desde el punto de vista de composición normalizada, dos tipos de
componentes:
Componente principal: Material inorgánico, especialmente seleccionado,
usado en proporción superior al 5% en masa respecto de la suma de todos
los componentes principales y minoritarios.
Componente minoritario: Cualquier componente principal, usado en
proporción inferior al 5% en masa respecto de la suma d e todos los
componentes principales y minoritarios.
Descripción de los componentes
Caliza (L)
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEspecificaciones:
CaCO3 >= 75% en masa.
Contenido de arcilla < 1,20 g/100 g.
Contenido de carbono orgánico total TOC) <= 0,50% en masa.
Caliza (LL)
Especificaciones:
CaCO3 >= 75% en masa.
Contenido de arcilla < 1,20 g/100 g.
Contenido de carbono orgánico total TOC) <= 0,20% en masa.
Cenizas volantes calcáreas (W)
Las cenizas volantes se obtienen por precipitación electrostática o mecánica
de partículas pulverulentas arrastradas por los flujos gaseosos de hornos
alimentados con carbón pulverizado. La ceniza volante calcárea es un polvo
fino que tiene propiedades hidraúlicas y/o puzolánicas.
Composición: SiO2 reactivo, Al2O3, Fe2O3 y otros compuestos.
Especificaciones:
CaO reactivo > 10,0% en masa si el contenido está entre el 10,0% y el
15,0% las cenizas volantes calcáreas con más del 15,0% tendrán una
resistencia a compresión de al menos 10,0 Mpa a 28 días
SiO2 reactivo >= 25%
Expansión estabilidad) <= 10 mm
Pérdida por calcinación <= 5,0% en masa si está entre el 5,0% y 7,0%
en masa (pueden también aceptarse, con la condición de que las
exigencias particulares de durabilidad, y principalmente en lo que
concierne a la resistencia al hielo, y la ompatibilidad con los aditivos,
sean cumplidas conforme a las normas o reglamentos en vigor para
hormigones o morteros en los lugares de utilización)
Cenizas volantes silíceas (V)
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILLas cenizas volantes se obtienen por precipitación electrostática o mecánica
de partículas pulverulentas arrastradas por los flujos gaseosos de hornos
alimentados con carbón pulverizado. La ceniza volante silícea es un polvo fino
de partículas esféricas que tiene propiedades puzolánicas.
Composición química: SiO2 reactivo, Al2O3, Fe2O3 y otros compuestos.
Especificaciones:
(SiO2) reactivo >= 25%
CaO reactivo < 10,0% en masa
CaO libre < 1,0% en masa si el contenido es superior al 1,0% pero
inferior al 2,5% es también aceptable con la condición de que el
requisito de la expansión (estabilidad) no sobrepase los 10 mm
Pérdida por calcinación < 5,0% en masa si el contenido está entre el
5,0% y 7,0% en masa pueden también aceptarse, con la condición de
que las exigencias particulares de durabilidad, y principalmente en lo
que concierne a la resistencia al al hielo, y la compatibilidad con los
aditivos, sean cumplidas conforme a las normas o reglamentos en
vigor para hormigones o morteros en los lugares de utilización.
2.1.2 Fabricación del cemento
El proceso de fabricación de cemento está compuesto principalmente de seis
etapas:
1.Explotación de Materia
Prima
2.Transportación de
Materia Prima
3.Trituración
4.Pre homogenización
5.Almacenamiento de
Materia Prima
6.Molienda de la Materia
Prima
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL7.Homogenización de Harina Cruda
8.Calcinación
9.Molienda de Cemento
10.Empaque y Despacho
En todas y cada una de estas etapas, se lleva un estricto control de calidad, para
asegurar y cumplir las normas internacionales para los cementos producidos, así
como un verdadero compromiso con la gestión ambiental.
1. Explotación de Materia Prima
De las canteras de piedra se extrae la caliza y la
arcilla a través de barrenación y detonación con
explosivos, cuyo impacto es mínimo gracias a la
moderna tecnología empleada.
El Proceso industrial comienza en la cantera con la extracción de las materia prima,
que se efectúa mediante a cielo abierto, con uso de perforadora especiales y
posteriores voladuras.
2. Transportación de Materia Prima
Una vez que las grandes masas de piedra han sido fragmentadas, se transportan a
la planta en camiones o bandas. Una vez extraído es encargado por una pala de
gran capacidad
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL3. Trituración
El material de la cantera es
fragmentado en los trituradores,
cuya tolva recibe las materias
primas, que por efecto de
impacto y/o presión son
reducidas a un tamaño máximo
de una y media pulgadas.
La planta de trituración de caliza
y arcillas, permite reducir el material con tamaño de hasta 1.2m a un tamaño final
comprendido entre 0/46mm. Este material triturado es transportado hasta el predio
de la planta, mediante una cinta transportadora.
4. Pre homogenización
La prehomogeneizacion es la mezcla proporcional de los diferentes tipos de arcilla,
caliza o cualquier otro material que lo requiera.
Una vez llegado a la planta, el materias primas, donde se efectua un adecuado
proceso de prehomogeneizacion.
5. Almacenamiento de Materia Prima
Cada una de las materias primas es transportada por separado a silos en donde son
dosificadas para la producción de diferentes tipos de cemento.
6. Molienda de la Materia Prima
Se realiza por medio de un molino vertical de acero, que muele el material mediante
la presión que ejercen tres rodillos cónicos al rodar sobre una mesa giratoria de
molienda. Se utilizan también para esta fase molinos horizontales, en cuyo interior el
material es pulverizado por medio de bolas de acero.
7. Homogenización de Harina Cruda
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILSe realiza en los silos equipados para lograr una mezcla homogénea del material.
8. Calcinación
La calcinación es la parte medular del proceso, donde se emplean grandes hornos
rotatorios en cuyo interior, a 1400°C la harina se transforma en clinker, que son
pequeños módulos gris obscuros de 3 a 4 cm.
9. Molienda de Cemento
El clinker es molido a través de bolas de acero de diferentes tamaños a su paso por
las dos cámaras del molino, agregando el yeso para alargar el tiempo de fraguado
del cemento.
Una vez más el análisis del producto saliendo del molino es prioritario, por lo que el
mismo también se lleva a cabo por medio de un analizador de rayos X, que permite
el ajuste en las proporciones de los materiales y así obtener las características del
cemento específico que se está produciendo. El control del tamaño de las partículas
de cemento molido es otra variable de gran importancia, pues afecta grandemente
sus propiedades; por lo que su medición frecuente es considerada.
10.Empaque y Despacho
El cemento es enviado a los silos de almacenamiento; de los que
se extrae por sistemas neumáticos o mecánicos, siendo
transportado a donde será envasado en sacos de papel, o surtido
directamente a granel. En ambos casos se puede despachar en
camiones, tolvas de ferrocarril o barcos.
2.1.3 Clasificación de los Cementos
Se pueden establecer dos tipos básicos de cementos:
1. de origen arcilloso: obtenidos a partir de arcilla y piedra caliza en proporción 1
a 4 aproximadamente;
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL2. de origen puzolánico: la puzolana del cemento puede ser de origen orgánico o
volcánico
Elemento, diferentes por su composición, por sus propiedades de resistencia y
durabilidad, y por lo tanto por sus destinos y usos.
Desde el punto de vista químico se trata en general de una mezcla de silicatos y
aluminatos de calcio, obtenidos a través del cocido de calcáreo, arcilla y arena. El
material obtenido, molido muy finamente, una vez que se mezcla con agua se
hidrata y solidifica progresivamente. Puesto que la composición química de los
cementos es compleja, se utilizan terminologías específicas para definir las
composiciones.
Cemento Natura
Se obtiene de rocas calizas muy arcillosas, se
endurece con rapidez y no son muy resistentes.
Cemento Portland
Producto que se obtiene por pulverización del Clinker
Portland con la edición de una o mas formas de
sulfato de calcio se admite la edición de otros
productos siempre que su inclusión no afecte las
propiedades del cemento resultante. Todos los
productos adicionales deben ser pulverizados
conjuntamente con Clinker.
Con el agregado de materiales particulares al cemento (calcáreo o cal) se obtiene el
cemento plástico, que fragua más rápidamente y es más fácilmente trabajable. Este
material es usado en particular para el revestimiento externo de edificios.
Normativa
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILLa calidad del cemento portland deberá estar de acuerdo con la norma ASTM C 150.
En Europa debe estar de acuerdo con la norma EN 197-1. En España los cementos
vienen regulados por la Instrucción para recepción de cementos RC-08, aprobada
por el Real Decreto 956/2008 de 6 de junio.
Fabricación del Cemento Portland
El cemento esta compuesto principalmente por materiales calcáreos tales como
caliza, alúmina y sílice que se encuentran como arcilla o pizarra; también se utiliza
marga, que es un material calcáreo-arcilloso, por yeso, y en los últimos años la
edición de materiales puzolanico que puede ser en estados natural como tierra de
diatomeas, rocas opalinas, esquistos, cenizas volcánicas, o material calcinado (los
nombrados anteriormente y algunos como las arcillas y esquistos más comunes), o
de material artificial (oxido de silicio precipitado y cenizas volcánica).
Cemento Portland especiales
Los cementos portland especiales son los cementos que se obtienen de la misma
forma que el portland, pero que tienen características diferentes a causa de
variaciones en el porcentaje de los componentes que lo forman.
Portland férrico
El portland férrico está caracterizado por un
módulo de fundentes de 0,64. Esto
significa que este cemento es muy rico en
hierro. En efecto se obtiene introduciendo
cenizas de pirita o minerales de hierro en
polvo. Este tipo de composición comporta por
lo tanto, además de una mayor presencia de Fe2O3 (oxido ferroso), una menor
presencia de 3CaOAl2O3 cuya hidratación es la que desarrolla más calor. Por este
motivo estos cementos son particularmente apropiados para ser utilizados en climas
cálidos. Los mejores cementos férricos son los que tienen un módulo calcáreo bajo,
en efecto estos contienen una menor cantidad de 3CaOSiO2, cuya hidratación
produce la mayor cantidad de cal libre (Ca (OH)2). Puesto que la cal libre es el
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILcomponente mayormente atacable por las aguas agresivas, estos cementos,
conteniendo una menor cantidad, son más resistentes a las aguas agresivas que el
plástico.
Tipos de cemento portland:
-Tipo I : normal es el cemento Pórtland destinado a obras de concreto en general,
cuando en las mismas no se especifique la utilización de otro tipo.(Edificios,
estructuras industriales, conjuntos habitacionales) Libera mas calor de hidratación
que otros tipos de cemento
-Tipo II : de moderada resistencia a los sulfatos, es el cemento Pórtland destinado a
obras de concreto en general y obrasb expuestas a la acción moderada de sulfatos o
donde se requiera moderado calor de hidratación, cuando así sea especificado.
(Puentes, tuberías de concreto).
-Tipo III : Alta resistencia inicial, como cuando se necesita que la estructura de
concreto reciba carga lo antes posible o cuando es necesario desencofrar a los
pocos días del vaciado
-Tipo IV : Se requiere bajo calor de hidratación en que no deben producirse
dilataciones durante el fraguado
-Tipo V : Usado donde se requiera una elevada resistencia a la acción concentrada
de los sulfatos (canales, alcantarillas, obras portuarias)
Cementos Blancos
Contrariamente a los cementos férricos, los cementos blancos tienen un módulo de
fundentes muy alto, aproximadamente 10. Estos contienen por lo tanto un porcentaje
bajísimo de Fe2O3. EI color blanco es debido a la falta del hierro que le da una
tonalidad grisácea al Portland normal y un gris más oscuro al cemento férrico. La
reducción del Fe2O3 es compensada con el agregado de fluorita (CaF2) y de criolita
(Na3AlF6), necesarios en la fase de fabricación en el horno. Para bajar la calidad del
tipo de cemento que hoy en día hay 4: que son tipo I 52,5, tipo II 52,5, tipo II 42,5 y
tipo II 32,5; también llamado pavi) se le suele añadir una cantidad extra de caliza
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILque se le llama clinkerita para rebajar el tipo, ya que normalmente el Clinker molido
con yeso sería tipo 1
Cemento de Mezclas
Los cementos de mezclas se obtienen agregando al cemento Portland normal otros
componentes como la puzolana. El agregado de estos componentes le da a estos
cementos nuevas características que lo diferencian del Portland normal.
Cemento Puzolanico
Se denomina puzolana a una fina ceniza volcánica que se extiende principalmente
en la región del Lazio y la Campania, su nombre deriva de la localidad de Pozzuoli,
en las proximidades de Nápoles, en las faldas del Vesubio. Posteriormente se ha
generalizado a las cenizas volcánicas en otros lugares. Ya Vitrubio describía cuatro
tipos de puzolana: negra, blanca, gris y roja.
entendido los romanos: El antiguo puerto de Cosa (puerto) fue construido con
puzolana mezclada con cal apenas antes de su uso y colada bajo agua,
probablemente utilizando un tubo, para depositarla en el fondo sin que se diluya en
el agua de mar. Los tres muelles son visibles todavía, con la parte sumergida en
buenas condiciones después de 2100 años.
La puzolana es una piedra de naturaleza ácida, muy reactiva, al ser muy porosa y
puede obtenerse a bajo precio. Un cemento puzolánico contiene aproximadamente:
55-70% de Clinker Portland
30-45% de puzolana
2-4% de yeso
Puesto que la puzolana se combina con la cal (Ca (OH)2), se tendrá una menor
cantidad de esta última. Pero justamente porque la cal es el componente que es
atacado por las aguas agresivas, el cemento puzolánico será más resistente al
ataque de éstas. Por otro lado, como el 3CaOAl2O3 está presente solamente en el
componente constituido por el Clinker Portland, la colada de cemento puzolánico
desarrollará un menor calor de reacción durante el fraguado. Este cemento es por lo
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILtanto adecuado para ser usado en climas particularmente calurosos o para coladas
de grandes dimensiones.
Cemento Siderúrgico
La puzolana ha sido sustituida en muchos casos por la ceniza de carbón proveniente
de las centrales termoeléctricas, escoria de fundiciones o residuos obtenidos
calentando el cuarzo. Estos componentes son introducidos entre el 35 hasta el 80%.
El porcentaje de estos materiales puede ser particularmente elevado, siendo que se
origina a partir de silicatos, es un material potencialmente hidráulico. Ésta debe sin
embargo ser activada en un ambiente alcalino, es decir en presencia de iones OH -.
Es por este motivo que debe estar presente por lo menos un 20% de cemento
Portland normal. Por los mismos motivos que el cemento puzolánico, el cemento
siderúrgico tiene mala resistencia a las aguas agresivas y desarrolla más calor
durante el fraguado. Otra característica de estos cementos es su elevada alcalinidad
natural, que lo rinde particularmente resistente a la corrosión atmosférica causada
por los sulfatos.
Cemento de fraguado rápido
El cemento de fraguado rápido, también conocido como "cemento romano ó prompt
natural", se caracteriza por iniciar el fraguado a los pocos minutos de su preparación
con agua. Se produce en forma similar al cemento Portland, pero con el horno a una
temperatura menor (1.000 a 1.200 °C).1 Es apropiado para trabajos menores, de
fijaciones y reparaciones, no es apropiado para grandes obras porque no se
dispondría del tiempo para efectuar una buena colada. Aunque se puede iniciar el
fraguado controlado mediante retardantes naturales (E-330) como el ácido cítrico,
pero aun así si inicia el fraguado aproximadamente a los 15 minutos (a 20 °C). La
ventaja es que al pasar aproximadamente 180 minutos de iniciado del fraguado, se
consigue una resistencia muy alta a la compresión (entre 8 a 10 MPa), por lo que se
obtiene gran prestación para trabajos de intervención rápida y definitivos. Hay
cementos rápidos que pasados 10 años, obtienen una resistencia a la compresión
superior a la de algunos hormigones armados (mayor a 60 MPa).
Cemento Aluminoso
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl cemento aluminoso se produce principalmente a partir de la bauxita con
impurezas de óxido de hierro (Fe2O3), óxido de titanio (TiO2) y óxido de silicio (SiO2).
Adicionalmente se agrega óxido de calcio o bien carbonato de calcio. El cemento
aluminoso también recibe el nombre de «cemento fundido», pues la temperatura del
horno alcanza hasta los 1.600 °C, con lo que se alcanza la fusión de los
componentes. El cemento fundido es colado en moldes para formar lingotes que
serán enfriados y finalmente molidos para obtener el producto final.
El cemento aluminoso tiene la siguiente composición de óxidos:
35-40% óxido de calcio
40-50% óxido de aluminio
5% óxido de silicio
5-10% óxido de hierro
1% óxido de titanio
Su composición completa es:
60-70% CaOAl2O3
10-15% 2CaOSiO2
4CaOAl2O3Fe2O3
2CaOAl2O3SiO2
Por lo que se refiere al óxido de silicio, su presencia como impureza tiene que ser
menor al 6 %, porque el componente al que da origen, es decir el (2CaOAl2O3SiO2)
tiene pocas propiedades hidrófilas (poca absorción de agua).
Hidratación
CaOAl2O3+10H2O → CaOAl2O310H2O (cristales hexagonales)
2(CaOAl2O3)+11H2O → 2CaOAl2O38H2O + Al (OH)3 (cristales + gel)
2(2CaOSiO2)+ (x+1) H2O → 3CaO2SiO2xH2O + Ca (0H)2 (cristales + gel)
Mientras el cemento Portland es un cemento de naturaleza básica, gracias a la
presencia de cal Ca (OH)2, el cemento aluminoso es de naturaleza sustancialmente
neutra. La presencia del hidróxido de aluminio Al (OH)3, que en este caso se
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILcomporta como ácido, provocando la neutralización de los dos componentes y
dando como resultado un cemento neutro.
El cemento aluminoso debe utilizarse en climas fríos, con temperaturas inferiores a
los 30 °C. En efecto, si la temperatura fuera superior, la segunda reacción de
hidratación cambiaría y se tendría la formación de 3CaOAl2O36H2O (cristales
cúbicos) y una mayor producción de Al (OH)3, lo que llevaría a un aumento del
volumen y podría causar fisuras.
2.1.4 Comportamiento de los cementos
Entre los cementos portland se pueden distinguir, a estos efectos, dos tipos
extremos que serían los tipos III y V ASTM los de alta saturación de cal, ricos en
C3S y relativa y circunstancialmente en C3A, con altas resistencias, de
endurecimiento rápido y gran calor de hidratación, y los de características contrarias,
especialmente por lo que se re-fiere al contenido de C3A.
Frente al ensayo de ANSTETT e incluso al ASTM cabe esperar, lógicamente, que
los segundos se comporten mucho mejor que los primeros, y así se ha podido
observar y confirnriar una vez más recientemente, en un caso particular
Frente a estos factores de carácter químico, los de naturaleza física, como puede
ser una mayor resistencia mecánica a toda edad de los cementos III frente a los de
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILtipo V por razón de su más rápido endurecimiento, o una posible mayor compacidad
—^menor porosidad, permeabilidad, penetrabilidad y succión capilar— de las
probetas ANSTETT del cemento III que haga más difícil y lenta la penetración de
agua en ellas, cuentan bastante menos.
La posible mayor compacidad de las probetas ANSTETT de un cemento III con
relación a las de un cemento V, podría ser debida a una mayor plasticidad de la
mezcla amasada de yeso y pasta hidratada, la cual al ser sometida a la presión de
compactación del ensayo, "se cerraría" más. Lo cual, a su vez, puede obedecer a
una finura inicial bastante mayor del cemento III, cuando su condición de alta
resistencia inicial se consigue exclusivamente o principalmente forzando en demasía
la finura de su clinker. Finura mayor que también contribuye a proporcionar en un
tiempo dado un grado más avanzado de hidratación y, por lo tanto, una mayor
consolidación -—resistencia mecánica.
Estas consideraciones de carácter físico cuentan en cambio mucho más, cuando se
trata
de explicar un comportamiento mejor de los cementos de tipo III ASTM en relación
con los cementos puzolánicos frente al ensayo de ANSTETT y al propio ensayo
ASTM.
2.1.5 Propiedades del cemento
Por la calidad del cemento se entiende el grupo de propiedades que caracterizan el
cemento en su uso final como aglomerante hidráulico en hormigones y morteros,
utilizados para actividades de construcción.
Dichas propiedades son importantes para la fabricación, la ejecución y la vida útil de
los productos de hormigón para los cuales el cemento es utilizado.
Los requisitos a la calidad del cemento vienen de los usuarios, y los aspectos
importantes pueden variar mucho, dependiente del producto de hormigón fabricado y
el método de producción utilizado. Un juego general de requisitos a cumplir son los
especificados en las normas nacionales o internacionales. El cumplimiento de las
normas mencionadas permite que el cemento sea comercializado y vendido bajo
una designación de tipo específica.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILPara la tarea de fabricar un cemento que cumple con los requisitos de las normas y
de los usuarios, los fabricantes de cementos disponen de una variedad de
materiales, equipos de producción y parámetros del proceso. Cuanto mejor
entiendan los fabricantes la relación básica entre dichos factores y las propiedades
con respecto al uso final del cemento, mejor podrá controlar las propiedades, por
ejemplo mantenerlas en un nivel deseado y reducir las variaciones alrededor de ese
nivel al mínimo posible.
El clinker de cemento portland es el factor más importante en cuanto a las
propiedades del cemento. Para comprender la relación entre las características del
clinker y las propiedades del cemento es importante darse cuenta de que el clinker
está compuesto de un grupo de diferentes minerales que difieren con respecto a sus
propiedades. De esta manera, la cantidad de relación es importante para las
resultantes propiedades del clinker. A continuación se presentan la individualidad de
los constituyentes mineralógicos y su influencia cualitativa y cuantitativa en las
propiedades básicas del cemento.
Buena resistencia al ataque químico.
Resistencia a temperaturas elevadas. Refractario.
Resistencia inicial elevada que disminuye con el tiempo.
Se ha de evitar el uso de armaduras. Con el tiempo aumenta la porosidad.
Uso apropiado para bajas temperaturas por ser muy exotérmico.
Está prohibido el uso de cemento aluminoso en hormigón pretensado. La vida útil de
las estructuras de hormigón armado es más corta.
El fenómeno de conversión (aumento de la porosidad y caída de la resistencia)
puede tardar en aparecer en condiciones de temperatura y humedad baja.
El proyectista debe considerar como valor de cálculo, no la resistencia máxima sino,
el valor residual, después de la conversión, y no será mayor de 40 N/mm2.
Se recomienda relaciones A/C ≤ 0,4, alta cantidad de cemento y aumentar los
recubrimientos (debido al pH más bajo).
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILDensidad
La densidad del cemento Portland varia generalmente entre 2.90 y 3.20 g/cm3
dependiendo básicamente de la cantidad y densidad del material puzolanico que se
adiciones. La densidad de un cemento no indica la cantidad del mismo; su uso
principal radica en dosificación y control de mezclas.
Fraguado
Se refiere al paso de la mezcla del estado del fluido o plástico al estado sólido.
Aunque durante el fraguado la pasta adquieres alguna Resistencia para efectos
prácticos.
Propiedades físicas del cemento de aluminato de calcio
Fraguado: Normal 2-3 horas. Similar al del cemento Portland.
Endurecimiento: muy rápido. En 6-7 horas tiene el 80 % de la resistencia.
Estabilidad de volumen: No expansivo.
Calor de hidratación: muy exotérmico.Desprende rápidamente una gran
cantidad de calor.
Muy resistente a sulfatos y muy buena durabilidad y resistente a compuestos
ácidos
Buenas propiedades refractarias, aguanta 1500-1600 ºC manteniendo
resistencias y propiedades físicas.
Expuesto a condiciones de ata temperatura y alta humedad (Por ejemplo una
zona costera) sufre una alteración en su composición química:
Propiedades físicas y mecánicas
Mediante análisis empíricos, definimos las siguientes propiedades, que nos
ayudan a elegir y conformar un cemento en función del uso que le queremos dar:
La finura o superficie específica: Una de las etapas del proceso de
fabricación del cemento es la molienda del Clinker con el yeso. La hidratación
de los granos de cemento ocurre desde el interior, por lo que el área
superficial constituye el material de hidratación. Al reducir el espesor de esta
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capa aumenta la velocidad de hidratación lo que posteriormente conlleva a
una menor resistencia a la fisura. En definitiva, el tamaño de los granos
definirá la posterior resistencia a fisura del cemento.
Definimos como firmeza la capacidad que tiene el cemento de conservar su
volumen después de fraguar. Esta propiedad puede verse afectada por la
presencia de cantidades excesivas de cal libre.
El paso del estado plástico al estado endurecido de una masa de cemento se
denomina tiempo de fraguado, es un proceso muy exotérmico y depende de
varios factores:
La composición química del cemento
La cantidad de agua ( a mayor cantidad mayor rápidez)
La temperatura ambiente: A menor temperatura se produce un
ralentizamiento del proceso. Sin embargo por encima de los 32
grados el aumento de velocidad se invierte
La finura del material
Llamamos falso fraguado a la rigidez prematura que se presenta en los
primeros minutos tras la adición de agua. Se diferencia de la anterior en que
no despide calor de forma apreciable y desaparece al mezclar nuevamente la
pasta. Se debe a la parcial deshidratación del yeso en los hornos.
La resistencia a la compresión es, en términos estructurales la capacidad
más destacable de los cementos, y puede verse afectada por el paso del
tiempo, la incidencia de las inclemencias meteorológicas y el mal
almacenamiento del Clinker. Aumenta de manera elevada en los primeros
días tras la conformación y en algunos cementos, paulatinamente durante
largos periodos de tiempo.
El peso especifico que se define como la relación entre la cantidad dada y el
volumen absoluto es una propiedad fundamentalmente usada para determinar
la mezcla y es muy similar en todos los cementos Portland
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La consistencia normal se define como aquella fluidez determinada por una
cierta cantidad de agua. Tiene relación con la calidad del cemento y el tiempo
de fraguado. EL requerimiento de agua varía entre distintos cementos y
puede llegar a suponer una variación de un 20-30%
2.1.6 Empleo del cemento
Con cemento portland se hace el cemento armado, hormigón o concreto, una
asociación de cemento con arena y pedregullo. Los ingredientes se amasan con
agua y vierten en un “encofrado” de madera en cuyo interior hay varillas de hierro.
En columnas, vigas y losas para techo o para piso, se unen la resistencia a la
compresión dada por el cemento y la resistencia a la tracción, derivada del metal. El
hormigón se prepara en obra, si bien hay fabricas que lo venden a granel, listo para
ser utilizado. El cemento portland para monumentos y detalles ornamentales no es
apropiado debido a su color gris. Para tales usos se fabrica cemento blanco, con
menor contenido de óxidos de hierro y dentro de hornos alimentados con gas
natural, para que el clinquer no sea contaminado con cenizas.
El agregado de pigmentos al cemento blanco lo colorea a voluntad. Los cementos de
endurecimiento rápido , o super cementos, tienen un porcentaje más alto de silicato
tricálcico. Las piedras calizas utilizadas para la pasta cruda son de gran pureza.
Además el clinquer se muele muy finamente. Estos cementos alcanzan, a los 3 días,
la resistencia lograda por el portland a los 28 días. Son de costo mas elevado pero
aceleran la construcción. Los cementos aluminosos, o cementos fundidos, se
elaboran con hornos eléctricos, a elevada temperatura. Contienen mayor porcentaje
de óxido de aluminio que el portland. Endurecen con velocidad y no son afectados
por el agua de mar, que disgrega al cemento común. Los cementos aluminosos se
emplean en instalaciones portuarias. El fibrocemento es cemento portland mezclado
con fibras de amianto. Es liviano y aislante del calor. Las chapas lisas de
fibrocemento sirven para tabiques; las corrugadas, para techos de depósitos y
galpones.
Aplicaciones
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl cemento de aluminato de calcio resulta muy adecuado para:
Hormigón refractario.
Reparaciones rápidas de urgencia.
Basamentos y bancadas de carácter temporal.
Cuando su uso sea justificable, se puede utilizar en:
Obras y elementos prefabricados, de hormigón en masa u hormigón no estructural.
Determinados casos de cimentaciones de hormigón en masa.
Hormigón proyectado.
No resulta nada indicado para:
Hormigón armado estructural.
Hormigón en masa o armado de grandes volúmenes.(muy exotérmico)
Es prohibido para:
Hormigón pretensado en todos los casos.
Usos comunes del cemento de aluminato de calcio
Alcantarillados.
Zonas de vertidos industriales.
Depuradoras.
Terrenos sulfatados.
Ambientes marinos.
Como mortero de unión en construcciones refractarias.
Carreteras.
Con cemento portland se hace el cemento armado, hormigón o concreto, una
asociación de cemento con arena y pedregullo. Los ingredientes se amasan con
agua y vierten en un “encofrado” de madera en cuyo interior hay varillas de hierro.
En columnas, vigas y losas para techo o para piso, se unen la resistencia a la
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILcompresión dada por el cemento y la resistencia a la tracción, derivada del metal. El
hormigón se prepara en obra, si bien hay fabricas que lo venden a granel, listo para
ser utilizado. El cemento portland para monumentos y detalles ornamentales no es
apropiado debido a su color gris. Para tales usos se fabrica cemento blanco, con
menor contenido de óxidos de hierro y dentro de hornos alimentados con gas
natural, para que el clinquer no sea contaminado con cenizas.
El agregado de pigmentos al cemento blanco lo colorea a voluntad. Los cementos de
endurecimiento rápido , o super cementos, tienen un porcentaje más alto de silicato
tricálcico. Las piedras calizas utilizadas para la pasta cruda son de gran pureza.
Además el clinquer se muele muy finamente. Estos cementos alcanzan, a los 3 días,
la resistencia lograda por el portland a los 28 días. Son de costo mas elevado pero
aceleran la construcción. Los cementos aluminosos, o cementos fundidos, se
elaboran con hornos eléctricos, a elevada temperatura. Contienen mayor porcentaje
de óxido de aluminio que el portland. Endurecen con velocidad y no son afectados
por el agua de mar, que disgrega al cemento común. Los cementos aluminosos se
emplean en instalaciones portuarias. El fibrocemento es cemento portland mezclado
con fibras de amianto. Es liviano y aislante del calor. Las chapas lisas de
fibrocemento sirven para tabiques; las corrugadas, para techos de depósitos y
galpones.
2.2 MORTEROS Y HORMIGONES
Mortero
Se define como mortero a un producto plástico obtenido por la mezcla de uno o
varios aglomerantes, arenas, agua y en su caso aditivos. Tienen la propiedad de
fraguar y endurecer en contacto con el aire y en algunos casos con el agua. Se
emplean en construcción para unir elementos y revestir paramentos (verticales:
pared; horizontal: techo y suelo) (áridos finos: morteros; áridos gruesos: hormigón)
Hormigón
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl hormigón o concreto es un material compuesto empleado en construcción,
formado esencialmente por un aglomerante al que se añade partículas o fragmentos
de un agregado, agua y aditivos específicos..
El concreto convencional, normalmente
usado en pavimentos, edificios y otras
estructuras, tiene un peso específico
(densidad, peso volumétrico, masa unitaria)
que varía de 2200 hasta 2400 kg/m³ (137
hasta 150 libras/piés3). La densidad del
concreto varía dependiendo de la cantidad
y la densidad del agregado, la cantidad de
aire atrapado (ocluido) o intencionalmente incluido y las cantidades de agua y
cemento. Por otro lado, el tamaño máximo del agegado influye en las cantidades de
agua y cemento. Al reducirse la cantidad de pasta (aumentándose la cantidad de
agregado), se aumenta la densidad En el diseño del concreto armado (reforzado), el
peso unitario de la combinación del concreto con la armadura normalmente se
considera 2400 kg/m³ (150 lb/ft³).
Dependiendo de las proporciones de cada uno de sus constituyentes existe una
tipología de hormigones. Se considera hormigón pesado aquel que posee una
densidad de más de 3200 kg/m³ debido al empleo de agregados densos (empleado
protección contra las radiaciones), el hormigón normal empleado en estructuras que
posee una densidad de 2200 kg/m³ y el hormigón ligero con densidades de
1800 kg/m³
La principal característica estructural del hormigón es que resiste muy bien
los esfuerzos de compresión, pero no tiene buen comportamiento frente a otros tipos
de esfuerzos (tracción, flexión, cortante, etc.), por este motivo es habitual usarlo
asociado a ciertas armaduras de acero, recibiendo en este caso la denominación
de hormigón armado, o concreto pre-reforzado en algunos lugares; comportándose
el conjunto muy favorablemente ante las diversas solicitaciones. Cuando se proyecta
una estructura de hormigón armado se establecen las dimensiones de los
elementos, el tipo de hormigón, los aditivos y el acero que hay que colocar en
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILfunción de los esfuerzos que deberá soportar y de las condiciones ambientales a
que estará expuesto.
Características mecánicas
La principal característica estructural del hormigón es resistir muy bien los esfuerzos
de compresión. Sin embargo, tanto su resistencia a tracción como al esfuerzo
cortante son relativamente bajas, por lo cual se debe utilizar en situaciones donde
las solicitaciones por tracción o cortante sean muy bajas. Para determinar la
resistencia se preparan ensayos mecánicos (ensayos de rotura) sobre probetas de
hormigón.
Características físicas del hormigón
Las principales características físicas del hormigón, en valores aproximados, son:
Densidad: en torno a 2350 kg/m³
Resistencia a compresión: de 150 a 500 kg/cm² (15 a 50 MPa) para el
hormigón ordinario. Existen hormigones especiales de alta resistencia que
alcanzan hasta 2000 kg/cm² (200 MPa).
Resistencia a tracción: proporcionalmente baja, es del orden de un décimo de
la resistencia a compresión y, generalmente, poco significativa en el cálculo
global.
Tiempo de fraguado: dos horas, aproximadamente, variando en función de la
temperatura y la humedad del ambiente exterior.
Tiempo de endurecimiento: progresivo, dependiendo de la temperatura,
humedad y otros parámetros.
De 24 a 48 horas, adquiere la mitad de la resistencia máxima; en una
semana 3/4 partes, y en 4 semanas prácticamente la resistencia total
de cálculo.
Dado que el hormigón se dilata y contrae en magnitudes semejantes al acero, pues
tienen parecido coeficiente de dilatación térmico, resulta muy útil su uso simultáneo
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILen obras de construcción; además, el hormigón protege al acero de la oxidación al
recubrirlo.
Fraguado y endurecimiento.
Diagrama indicativo de la
resistencia (en %) que adquiere el
hormigón a los 14, 28, 42 y 56
días.
La pasta del hormigón se forma
mezclando cemento artificial y
agua debiendo embeber totalmente a
los áridos. La principal cualidad de esta pasta es que fragua y endurece
progresivamente, tanto al aire como bajo el agua.
El proceso de fraguado y endurecimiento es el resultado de reacciones químicas de
hidratación entre los componentes del cemento. La fase inicial de hidratación se
llama fraguado y se caracteriza por el paso de la pasta del estado fluido al estado
sólido. Esto se observa de forma sencilla por simple presión con un dedo sobre la
superficie del hormigón. Posteriormente continúan las reacciones de hidratación
alcanzando a todos los constituyentes del cemento que provocan el endurecimiento
de la masa y que se caracteriza por un progresivo desarrollo de resistencias
mecánicas
Tipos de hormigón
En la Instrucción española (EHE), publicada en 1998, los hormigones están
tipificados según el siguiente formato siendo obligatorio referirse de esta forma en
los planos y demás documentos de proyecto, así como en la fabricación y puesta en
obra:
Hormigón T – R / C / TM / A
T: se denominará HM cuando sea hormigón en masa, HA cuando sea hormigón
armado y HP cuando sea hormigón pretensado.
R: resistencia característica del hormigón expresada en N/mm².
C: letra inicial del tipo de consistencia: S Seca, P plástica, B Blanda, F Fluida y L
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILLíquida.
TM: tamaño máximo del árido expresado en milímetros.
A: designación del ambiente a que estará expuesto el hormigón.
Tipos de morteros
Según el aglomerante:
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Morteros de yeso
Morteros de cal (para unir piedras y ladrillos mejor que el cemento por sus
propiedades)
Morteros de cemento
Morteros de cemento-cola
Morteros mixtos o bastardo, en los que se mezclan dos aglomerantes:
Yeso y cal
Cal y cemento
2.2.1 Diferencia entre h ormigón y mortero
De forma general el mortero es una mezcla de cemento y arena o cemento yeso y
arena. El hormigón además de cemento y arena contiene gravas de diversa
granulometría.
El hormigón por su parte es un elemento de uso estructural bien en masa
(elementos estructurales de hormigón en masa) o bien armado (cuando en su
interior disponemos armaduras).
2.2.2 Componentes del Hormigón
a) Cemento:
El conglomerante habitualmente utilizado es el cemento pudiéndose utilizar mezclas
de cemento y cal. Lo normal es utilizar los cementos del tipo CEM-II, con adiciones,
sobre todo los tipos mixtos y cementos blancos correspondientes a los mismos. La
clase resistente de los cementos es aconsejable que sea como máximo de 32,5
N/mm2 , utilizándose a veces cementos de clases resistentes 22,5 y 42,5 en el caso
de utilizar cementos blancos.
Hay que tener en cuenta que cuanto mayor es la clase resistente del cemento menor
es la plasticidad del mortero. En el caso de utilizar morteros blancos o coloreados se
utiliza cemento blanco con o sin cal y áridos blancos procedentes normalmente de
mármoles machacados, o calizas caoliníticas.
b) Cales:
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILLa cal se utiliza en la fabricación de los morteros bastardos, es decir, con dos
conglomerantes, cemento y cal, con lo que se mejoran la plasticidad del mortero y la
retención de agua, dando una mezcla de color más claro. Lo habitual es la utilización
de cales aéreas dada la escasa producción de cales hidráulicas.
c) Arenas:
Las arenas utilizadas habitualmente son las de río, naturales o de machaqueo. En
este último caso hay que proceder al lavado de las mismas para evitar un alto
contenido en finos que pudiera dificultar la adherencia de la pasta de cemento.
Deben de carecer de materia orgánica. La granulometría de los áridos debe estar
conforme con los requisitos que se citan a continuación, en función del tamaño del
árido (d/D), excepto cuando para usos especiales se especifiquen otros límites.
Además el tamaño máximo de la arena deber ser menor o igual que un tercio del
espesor de la junta.
d) Granulometría.
Es el estudio de los áridos en función de su tamaño y la relación que existe entre los
distintos tamaños y su forma
Huso granulométrico del árido fino
Es importante que la granulometría del árido permanezca constante durante la
ejecución de la obra, ya que los cambios en dicha granulometría pueden obligar a
realizar ajustes en la composición del hormigón por su repercusión sobre la cantidad
de cemento y de agua.
e) Aguas:
Se pueden utilizar para el amasado de morteros las aguas sancionadas como
aceptables por la práctica. No se utilizarán aguas de mar dado que su uso puede
producir eflorescencias en las fábricas.
f) Aditivos:
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEn el caso de utilizar aditivos debe comprobarse que no afecten de forma
desfavorable a la calidad del mortero, de la fábrica, y a la durabilidad. Los aditivos se
clasifican según el efecto principal es decir, la característica que se quiera mejorar,
en plastificantes, incluso res de aire, hidrófugos etc. También se utilizan aditivos
para modificar los tiempos de fraguado.
2.2.3 Dosificación del hormigón
Los métodos de dosificación de hormigones tienen por finalidad encontrar las
proporciones en que hay que mezclar a los diferentes componentes de los mismos
para conseguir mezclas que posean determinadas características de consistencia,
compacidad, resistencia, durabilidad, etc.
El cálculo teórico de las proporciones en que hay que mezclar a los componentes no
exime de la comprobación experimental para la puesta a punto de la composición a
adoptar. Esto es debido a que ningún método de dosificación puede tener en cuenta
la gran cantidad de factores que influyen en las propiedades del hormigón a
conseguir.
No existe un método único de dosificación, sino que, dependiendo de las
condiciones que deba reunir el hormigón, el proyectista podrá elegir uno entre varios
de los muchos existentes y los resultados que se consigan con él serán buenos
cuando éste se haya elegido convenientemente y se hayan realizado las
correcciones oportunas mediante masas de prueba en lo referente a la cantidad y
proporción de los componentes, la EHE indica las siguientes limitaciones:
- La cantidad mínima de cemento y la máxima relación agua/cemento serán las
establecidas en la siguiente tabla.
Dosificación de un hormigón en volumen
Este tipo de dosificación es el más antiguo, fácil y cómodo, a todos los efectos, en
aquellas pequeñas obras donde la precariedad de medios precise su realización
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILmanual y a pie de obra. La Tabla siguiente permite calcular de manera sencilla los
materiales necesarios para la confección de 1 m3 de este material, así como prever
las materias precisas para el conjunto o volumen de hormigón que requiera la obra.
Cálculo de la dosificación
Se considera como tamaño máximo del árido al que corresponde al tamiz más
pequeño de la serie utilizada que retenga menos del 15 por 100 del peso total del
árido. Dado que la granulometría del árido conjunto no se conoce hasta haber
realizado la composición de todas las fracciones del árido, y a fin de evitar tanteos,
se considera como tamaño máximo la abertura del menor tamiz que retiene menos
del 25 por 100 al cribar por él la grava, es decir, el árido de mayor tamaño, no
entrando en esta determinación los gránulos de grandes dimensiones la cantidad de
cemento a introducir en el diseño de la mezcla será la real que se vaya a emplear en
la fabricación del hormigón.
La cantidad de agua se elige de acuerdo con el tipo de árido utilizado, su tamaño
máximo y la consistencia que deba tener el hormigón. Si los hormigones han de
colocarse mediante bombeo o en secciones estrechas es conveniente emplear
consistencia blanda. Si se van a consolidar por vibración la consistencia más
adecuada es la plástica y si estos van a consolidarse con vibración enérgica e
incluso compresión, puede emplearse consistencia seca
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Consistencia del hormigón.
Depende del contenido en agua de la mezcla, se determinan con el cono de
ABRAMS y el docilímetro de IRIBARREN, se clasifica en:
Seca
Plástica
Blanda
Fluida.
Líquida
Parámetros o propiedades más importantes del hormigón.
Relación agua-cemento. Es el volumen de cemento empleado respecto al
volumen de agua.
Tipo del árido. Granulometría.
Peso específico. Oscila entre 2.000-4000 Kp/m3, aunque se considera como
media 2.500Kp/m3).
Impermeabilidad. La permeabilidad aumenta cuando la relación agua-cemento es
mayor de 0’8.
Consistencia. No ofrece la facilidad de trabajo.
Resistencia mecánica. Es aproximadamente de 20 N/mm2= 200 kp/cm2. HM para
soleras y rellenos, 100 kp/cm2. HA para vigas, pilares o zapatas 175
-200 kp/cm2y HP 200 kp/cm2.
Amasado del hormigón
A mano, se utiliza para pequeñas obras (En seco se mezcla el cemento y los
áridos, añadiéndose el Agua poco a poco).
Hormigonera intermitente (De tambor basculante o fijo), son las más utilizada en
obras.
Hormigonera continua (Los constituyentes entran por un lado y salen por otro).
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILHormigonera de eje vertical (empleadas en laboratorios y talleres)
Vertido y colocación del hormigón
Generalmente el hormigón se fabrica a pie de obra, debe de ser colocado
antes de una hora en verano y dos horas en invierno, desde que procede a su
amasado.
El hormigón debe ser apisonado en los moldes o encofrados, para evitar
huecos o coqueras, para ello se utilizan pisones, el picado con barras de
hierro, vibradores o per vibradores.
Precauciones en tiempo de frio y calor
-En tiempo frio se suspenderá el hormigonado si la temperatura desciende a 2º C, a
no ser que se caliente el agua de amasado a 30ºC.
Si la temperatura desciende a -4ºC, además de calentar el agua, se deberá regar
con agua a 30ºC cada dos horas y proteger la superficie.
Para las bajas temperaturas se puede suministrar calor al hormigón a través de
vapor de agua o corriente eléctrica (al ser el hormigón conductor), asimismo está
indicado el cemento aluminoso, que permite trabajar a -15ºC.
-En tiempo caluroso, no conviene hormigonera con temperaturas superiores a 40ºC
con portland y superiores a 35º C con aluminoso.
En caso necesario, se protegerán los ingredientes del sol y el viento y se regara
frecuentemente el hormigón, para evitar la desecación. Además se deberá mantener
húmeda la superficie durante los 15 días siguientes en tiempo seco y 7 días en
tiempo húmedo.
-Para el curado del hormigón se emplean actualmente emulsiones resinosas, que
se pulverizan sobre la superficie a las dos horas de su colocación, reaccionando con
la cal liberada al fraguar, formando un glaseado, que obtura los capilares e impiden
la evaporación del agua durante un mes.
3.6. Desencofrado del hormigón.
Se realiza cuándo el hormigón ha alcanzado el grado suficiente de resistencia para
soportar el triple de la carga que haya de resistir.
Retirada de encofrados laterales.......................................7 días.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILRetirada de encofrados de suelo y puntales......................28 días.
Si las temperaturas son menores de 5ºC, se prorrogaran prudencialmente estos
plazos y en caso de grande luces o dimensiones, se duplicaran los mismos.
2.2.4 Fabricación del Hormigón
El objetivo del diseño y fabricación del hormigón es obtener una mezcla que posea
un mínimo de determinadas propiedades tanto en estado fresco como endurecido, al
menor costo de producción posible. Es muy importante conseguir la mezcla óptima
en las proporciones precisas de áridos de distintos tamaños, cemento y agua. Sin
embargo, no hay u na mezcla óptima que sirva para todos los casos. Para
establecer la dosificación adecuada en cada caso se debe tener en cuenta la
resistencia mecánica, factores asociados a la fabricación y puesta en obra, así como
el tipo de ambiente a que estará
sometido.
Las materias primas, tras haber sido
sometidas a los pertinentes controles de
calidad se almacenan en silos y tolvas
especialmente diseñadas. La dosificación
de estas materias primas se hace de forma automática. La unidad central remite las
órdenes a los sistemas de pesado que dosifican el material en las proporciones
adecuadas según su aplicación. Esto permite garantizar la homogeneidad entre los
distintos pedidos de hormigón suministrados. Determinada la dosificación más
adecuada, en la planta de hormigón hay que medir los componentes, el agua en
volumen, mientras que el cemento y áridos se miden en peso.
El amasado del hormigón puede realizarse por amasadoras fijas o móviles. Este
amasado se podrá realizar por alguno de los siguientes procedimientos: totalmente
en amasadora fija, iniciado en amasadora fija y terminado en amasadora móvil o
bien iniciado en amasadora fija y terminado en amasadora móvil, antes de su
transporte.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEs muy importante conseguir la mezcla óptima en las proporciones precisas de
áridos de distintos tamaños, cemento y agua.
La resistencia característica se fija en el proyecto.
La selección del tipo de cemento
El tamaño máximo del árido
La consistencia del hormigón
La cantidad de agua
La relación agua/cemento
La cantidad de cemento.
El resto serán áridos.
Determinar la composición granulométrica del árido.
Determinada la dosificación más adecuada, en la planta de hormigón hay que medir
los componentes, el agua en volumen, mientras que el cemento y áridos se miden
en peso.
Los materiales se amasan en hormigonera o amasadora para conseguir una mezcla
homogénea de todos los componentes. El árido debe quedar bien envuelto por la
pasta de cemento. Para conseguir esta homogeneidad, primero se vierte la mitad de
agua, después el cemento y la arena simultáneamente, luego el árido grueso y por
último el resto de agua.
Para el transporte al lugar de empleo se deben emplear procedimientos que no
varíen la calidad del material, normalmente camiones hormigonera. El tiempo
transcurrido no debe ser superior a hora y media desde su amasado. Si al llegar
donde se debe colocar el hormigón, este ha empezado a fraguar debe desecharse.
El proceso de fabricación del hormigón en central puede ser de dos tipos:
Fabricación en amasadora. En esta modalidad las materias primas
constituyentes del hormigón se pesan en seco mediante básculas y se introducen en
la amasadora, donde se mezclan con el agua y se homogeniza la pasta.
Posteriormente se vierte en el camión hormigonera que realizará su trasporte hasta
la obra.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Dosificación en planta y mezcla en camión hormigonera. En este caso las
materias primas se pesan y son vertidas directamente en la cuba del camión
hormigonera que en este caso será responsable tanto de la mezcla de los
componentes y homogenización de la masa como de su transporte hasta la obra.
Las materias primas se introducen en la amasadora o camión hormigonera,
dependiendo del proceso empleado, y se mezclan y homogenizan mediante el
movimiento giratorio de las aspas de la amasadora o la cuba del camión. El
mezclado debe hacerse de tal forma que asegure la homogeneidad del hormigón.
Se recomienda el uso de hormigoneras en obras pequeñas y solicitarlos a una
planta de fabricación de hormigones para obras medianas y grandes. En caso de
que se realice manualmente deben extremarse los cuidados durante su elaboración,
el agua debe dosificarse por volumen, el cemento y los áridos por peso. Para el
transporte al lugar de empleo se emplean medios que no varíen la calidad del
material, sin experimentar variación sensible en las características que poseían
recién amasadas. El tiempo transcurrido no debe ser superior a hora y media desde
su amasado.
2.2.5 Propiedades del hormigón fresco
El hormigón fresco es un material esencialmente heterogéneo, puesto que en él
coexisten tres fases: la sólida (áridos y cemento), la líquida (agua) y la gaseosa (aire
ocluido). A su vez, la fase sólida es heterogénea entre sí, ya que sus granos son de
naturaleza y dimensión variables.
Entre las propiedades del hormigón fresco podemos citar, como más importantes, la
consistencia, la docilidad, la homogeneidad y la masa específica o densidad.
Consistencia Es la menor o mayor facilidad que tiene el hormigón fresco para
deformarse. Varía con multitud de factores: cantidad de agua de amasado, tamafio
máximo, granulometría y forma de los áridos, etc.; el que más influye es la cantidad
de agua de amasado.
Existen varios procedimientos para determinar la consistencia, siendo los más
empleados el cono de Abrams, la mesa de sacudidas y el consistómetro Vebe.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl cono de Abrams es un molde troncocónico de 30 cm de altura que se rellena con
el hormigón objeto de ensayo. La pérdida de altura que experimenta la masa fresca
del hormigón una vez desmoldada, expresada en centímetros, da una medida de su
consistencia.
La mesa de sacudidas sirve para someter a una masa de hormigón fresco, de forma
determinada, a una serie de sacudidas normalizadas, midiéndose el escurrimiento
experimentado. Es un método más preciso que el anterior y, por tanto, preferible
cuando se trata de instalaciones fijas.
Trabajabilidad.- Es la facilidad con la que puede distribuirse
el Hormigón dentro de los encofrados.
Homogeneidad.- Se dice del material que tiene las mismas propiedades en
todos los puntos. En el Hormigón se consigue mediante un buen amasado.
Y las que afectan al Hormigón Endurecido:
Densidad.- Es la cantidad de peso por unidad de volumen
(densidad=peso/volumen) Variará con la clase de áridos y con la forma de
colocación en obra.
Resistencia Mecánica.- Es la capacidad que tiene el Hormigón para soportar
las cargas que se apliquen sin agrietarse o romperse.
Durabilidad.- Es la capacidad para resistir el paso del tiempo.
Porosidad.- La porosidad se considera la proporción de huecos respecto de la
masa total. Influye en la resistencia, la densidad, y
la permeabilidad del Hormigón.
Permeabilidad.- Es la capacidad de un material de ser atravesado por
líquidos o gases.
Fabricación del hormigón fresco
Áridos
Agua
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Cemento
Encofrado
Mezclado
Colocación
Curado.- El Hormigón alcanzará toda su resistencia si la mezcla no pierde humedad
rápidamente, para lo cual debe protegerse su superficie para impedir que seque
antes de tiempo.
Desencofrado.- Se realiza cuando el Hormigón ha alcanzado el grado
de resistencia suficiente como para soportar el triple de la carga que haya de resistir.
En losas será recomendable mantenerlo durante al menos 15 días, dejando los
apuntalamientos necesarios.
Resistencia.- Se realizan pruebas de resistencia después de transcurridos 28 días.
Con ello se verifica la calidad del Hormigón.
2.2.6 Trasporte del Hormigón
Los hormigones deben ser puestos en obras inmediatamente después del amasado.
Por ello el transporte del hormigón debe realizarse entre, el final del amasado, y
antes de que empiece a fraguarse el hormigón
Así mismo debemos saber que el tiempo que tarda en fraguar el hormigón, depende
sobre todo de las condiciones atmosféricas, y de las temperaturas:
Con calor, y tiempo seco se da un fraguado rápido, antes esas condiciones el
hormigón debe estar empleado en la obra (en los encofrados), en un plazo de
una hora.
Con tiempo húmedo, y frío ese plazo aumenta hasta dos horas en definitiva,
el hormigón debe ser transportado inmediatamente después del amasado,
protegerse del viento, y del sol para que no se nos seque.
El Medio De Trasporte:
Con respecto al medio de trasporte, decir que éstas deben de evitar mezclar, o
separar la masa plástica, sobre todo evitar las vibraciones, y sacudidas pues, los
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILelementos pesados irían al fondo (gravas), mientras que los morteros, y elementos
finos quedarían en la superficie.
* Tipos De Trasportes:
Carretillas: Evita las sacudidas.
Canalones: Para el trasporte aprovechando la gravedad, las caídas, pueden
provocar la separación de los materiales, si excede de 2m de caída del
hormigón.
Cinta Transportadora: Para el hormigón poco plástico.
Cubeta para el transporte de hormigón mediante grúa o apiladora.
Silos previos móviles con una o varias cámaras, también con unidad de
elevación para superar diferentes alturas de transporte.
Aire Comprimido, Y Bombas: Para el transporte vertical (100m), u horizontal
(500m), a través del sistema de válvulas. Evita la segregación.
Cubetas volantes de uno o dos rieles.
Camiones: Utilizado cuando las distancias son grandes. Deben tenerse en
cuenta:
Si la distancia de transporte es inferior a 15km, se pueden trasportar en camón
menos cubiertas, pero cubriéndolas con encerados, y toldos según la climatología.
Si se transporta a mas de 15km, se usaran vehículos con tambores especiales que
conservarían el hormigón hasta la obra. En cualquier caso, deben respetarse los
tiempos de transporte del hormigón en función de las condiciones atmosféricas.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl camión hormigonera es un camión especializado en el transporte de hormigón.
La diferencia con otros camiones, se basa en que sobre el bastidor del camión tiene
una cuba de forma aproximadamente cilíndrica. Esta cuba va montada sobre un eje
inclinado con respecto al bastidor, de forma que pueda girar. El principio de
funcionamiento es muy simple, se trata de mantener
El hormigón en movimiento con el fin de retrasar su fraguado y lograr homogeneidad
en la mezcla. Este movimiento se consigue a través de un motor auxiliar o por
transmisión del propio motor del camión de forma mecánica o hidráulica. Dentro de
la cuba hay unas palas en una posición determinada y soldadas a las paredes de la
cuba. De forma que cuando la cuba gira en un sentido lo que hace es mezclar el
hormigón y si gira en sentido contrario expulsará el hormigón por la abertura del
extremo opuesto a la cabina.
Según el tipo de hormigonera estas pueden ser:
Fijas (o semifijas). Suelen colocarse de forma permanente o semipermanente
en el lugar donde se va construir o en un punto desde donde servir a diversas
obras en un tiempo no crítico para el fraguado de la masa de hormigón.
Móviles o portátiles. Son aquellas dotadas de ruedas y que se transportan al
lugar donde va a elaborarse el hormigón. Dentro de este tipo podemos destacar
los Camiones hormigonera.
Proceso de producción para
sistemas de transporte de
hormigón
Vía de fabricación
Bandeja plegable
Volteador
Sistema de paletas de tipo rotativo
Encofrado de batería
Maquinaria del circuito de moldeado.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL2.2.7 PUESTA EN OBRA Y CONSOLIDACIÓN DEL HORMIGÓN
Vertido y colocación.
El vertido no debe efectuarse desde gran altura (uno a dos metros como máximo en
caída libre), procurando que su dirección sea vertical y evitando desplazamientos
horizontales de la masa. El hormigón debe ir dirigido durante el vertido, mediante
canaletas u otros dispositivos que impidan su choque libre contra el encofrado o las
armaduras.
Colocación de armaduras
Las armaduras deben estar limpias y
sujetarse al encofrado y entre sí de
forma que mantengan la posición
prevista sin moverse en el vertido y
compactación del hormigón. Para ello se
colocan calzos o distanciado res en
número suficiente que permitan
mantener la rigidez del conjunto.
De igual manera el espacio libre entre las barras de acero y el encofrado, llamado
recubrimiento, debe mantener una separación mínima, también normalizada, que
permita el relleno de este espacio por el hormigón. Este espacio se controla por
medio de separadores que se colocan entre la armadura y el encofrado.
Encofrado
El encofrado debe contener y soportar el hormigón fresco durante su endurecimiento
manteniendo la forma deseada sin que se deforme. Suelen ser de madera o
metálicos y se exige que sean rígidos, resistentes, estancos y limpios. En su montaje
deben quedar bien sujetos de forma que durante la consolidación posterior del
hormigón no se produzcan movimientos.
Antes de reutilizar un encofrado debe limpiarse bien con cepillos de alambre
eliminando los restos de mortero que se hayan podido adherir a la superficie. Para
facilitar el desencofrado se suelen aplicar al encofrado productos desencofran tés;
estos deben estar exentos de sustancias perjudiciales para el hormigón.
Colocación y compactación
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl vertido del hormigón fresco en el interior del encofrado debe efectuarse
evitando que se produzca la segregación de la mezcla. Para ello se debe evitar
verterlo desde gran altura, hasta un máximo de dos metros de caída libre y no se
debe desplazar horizontalmente la masa.
Se coloca por capas o tongadas horizontales de espesor reducido para permitir una
buena compactación (hasta 40 cm en hormigón en masa y 60 cm en hormigón
armado). Las distintas capas o tongadas se consolidan sucesivamente, trabando
cada capa con la anterior con el medio de compactación que se emplee y sin que
haya comenzado a fraguar la capa anterior.
Para conseguir un hormigón compacto, eliminando sus huecos y para que se
obtenga un completo cerrado de la masa, hay varios sistemas de consolidación. El
picado con barra, que se realiza introduciéndola sucesivamente, precisa hormigones
de consistencias blandas y fluidas y se realiza en obras de poca importancia
resistente. La compactación por golpeo repetido de un pisón se emplea en capas de
15 o 20 cm de espesor y mucha superficie horizontal. La compactación por vibrado
es la habitual en hormigones resistentes y es apropiada en consistencias secas.
Curado
El curado es una de las operaciones más
importantes en el proceso de puesta en
obra por la influencia decisiva que tiene en
la resistencia del elemento final. Durante el
fraguado y primer endurecimiento se
producen pérdidas de agua por
evaporación, formándose huecos capilares en el hormigón que disminuyen su
resistencia. En particular el calor, la sequedad y el viento provocan una evaporación
rápida del agua incluso una vez compactado. Es preciso compensar estas pérdidas
curando el hormigón añadiendo abundante agua que permita que se desarrollen
nuevos procesos de hidratación con aumento de la resistencia.
Puesta en obra con bomba.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl hormigón bombeado requiere un contenido de cemento no menor de 300 kg/m3 y
utilizar arena y árido grueso que no sea de machaqueo. La dosificación del hormigón
debe hacerse en peso. Conviene utilizar un plastificante o fluidificante y emplear
consistencias plástico-blandas.
Resulta adecuado el empleo de cemento puzolánico, por la plasticidad que confiere
al hormigón.
Desencofrado y acabados
La retirada de los encofrados se realiza cuando el hormigón ha alcanzado el
suficiente endurecimiento. En los portland normales suele ser un periodo que oscila
entre 3 y 7 días.
Una vez desencofrado hay que reparar los pequeños defectos superficiales
normalmente huecos o coqueras superficiales. Si estos defectos son de grandes
dimensiones o están en zonas críticas resistentes puede resultar necesaria la
demolición parcial o total del elemento construido.
Es muy difícil que queden bien ejecutadas las aristas vivas de hormigón, por ello es
habitual biselarlas antes de su ejecución. Esto se hace incorporando en las esquinas
de los encofrados unos biseles de madera llamados berenjenas.
Consolidación del Hormigón
La vibración mueve las partículas del concreto recién mezclado, reduce el
rozamiento (fricción) entre ellas y les da la movilidad de un fluido denso. La acción
vibratoria permite el uso de mezclas más rígidas con mayores proporciones de
agregado grueso y menores proporciones de agregados finos. Si el agregado es
bien graduado, cuanto mayor es su tamaño máximo, menor es el volumen para
llenarse por la pasta y menor es el área superficial para ser cubierta por la pasta, así
menos agua y cemento son necesarios. El concreto con la granulometría óptima del
agregado es más fácil de consolidarse y colocarse. La consolidación del agregado
grueso, bien como de mezclas más rígidas mejoran la calidad y la economía. Por
otro lado, la mala consolidación puede resultar en un concreto poroso y débil con
poca durabilidad
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Efecto de los vacíos, resultantes de la carencia de consolidación, sobre el módulo
de elasticidad, resistencia a compresión y resistencia a flexión del concreto.
La vibración mecánica tiene muchas ventajas. Los vibradores permiten una
colocación económicamente viable de mezclas que no se pueden consolidar
manualmente bajo muchas condiciones.
Presenta un concreto con consistencia rígida (bajo revenimiento). Este concreto se
vibró mecánicamente en las cimbras, contiendo armadura poco espaciada. Para una
consolidación con vara manual, sería necesaria una consistencia bien más húmeda.
2.2.8 Normativas
Introducción
En el siglo XVIII, la resistencia de los elementos estructurales de hormigón armado
era calculada experimentalmente. Navier, a principios del siglo XIX, planteó la
necesidad de conocer y establecer los límites hasta donde las estructuras se
comportaban elásticamente, sin deformaciones permanentes, para poder obtener
modelos físico-matemáticos fiables y fórmulas coherentes. Posteriormente, dada la
complejidad del comportamiento del hormigón, se requirió utilizar métodos basados
en el cálculo de probabilidades para lograr resultados más realistas. En la primera
mitad del siglo XX, se calculaban los elementos estructurales por el método de las
Tensiones admisibles.
Norma EHE.
Es una norma para la mejora de la calidad de las obras de hormigón, tanto en lo que
se refiere a su ejecución, como a su conservación.
Entró en vigor 01.07.1999, unificando las normas EP93 (HP) y EH91 (HM y HA),
derogando estas instrucciones, además de la EH88 y EF88.
Se mantiene vigente la normas EF96, sobre proyecto y ejecución de forjados
unidireccionales de HA y HP.
Esta norma se aplica al hormigón en masa (HM), hormigón armado (HA) y hormigón
pretensado (HP), tanto en obras de promoción pública como en privadas.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILNotación
Generalmente en este texto se empleará la notación de la Instrucción EHE, que se
supone conocida del estudio del hormigón armado. La única variación importante es
la introducción del subíndice p que se aplica a lo que es específico del hormigón
pretensado.
A pI = Sección total de las armaduras activas.
A p = Sección total de las armaduras activas en zona de compresión.
Ep = Módulo de deformación longitudinal de la armadura activa.
P = Fuerza del pretensado, carga de rotura.
Pk = Valor característico de la fuerza de pretensado .
Pki = Valor característico inicial de la fuerza de pretensado.
Pkf = Valor característico final de la fuerza de pretensado.
Po = Fuerza de tesado.
Vpd = Valor de cálculo de la componente de la fuerza de pretensado paralela a la
sección en estudio.
fmax,k = Carga unitaria de rotura del acero de las armaduras activas.
fpd = Resistencia de cálculo de las armaduras activas.
fpk = Límite elástico característico de las armaduras activas.
fpy = Límite elástico aparente de las armaduras activas.
fyp,d = Resistencia de cálculo de la armadura A p
p γ = Coeficiente parcial de seguridad de la acción de pretensado.
cp ε = Deformación del hormigón bajo la acción del pretensado total.
p ε = Deformación de las armaduras activas.
p0 ε = Deformación de la armadura activa adherente bajo la acción del pretensado
total.
rf ε = Valor final de la retracción del hormigón a partir de la introducción del
pretensado.
ρ = Cuantía geométrica c ρ = As / A . Relajación del acero.
f ρ = Valor final de la relajación del acero.
p σ = Tensión en las armaduras activas.
pi σ = Tensión inicial en las armaduras activas.
p,PO σ = Tensión de la armadura activa debida al valor característico del pretensado
en el momento en que se realiza la comprobación del tirante.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILsp σ = Tensión de cálculo de armaduras activas.
i ΔΡ = Pérdidas instantáneas de fuerza.
dif ΔΡ = Pérdidas diferidas de fuerza.
Δσpd = Incremento de tensión debido a las cargas exteriores.
pr Δσ = Pérdida por relajación a longitud constante.
1 ΔΡ = Pérdidas de fuerza por rozamiento.
2 ΔΡ = Pérdidas de fuerza por penetración de cuñas.
3 ΔΡ = Pérdidas de fuerza por acortamiento elástico del hormigón.
4f ΔΡ = Pérdidas finales por retracción del hormigón.
5f ΔΡ = Pérdidas finales por fluencia del hormigón.
6f ΔΡ = Pérdidas finales por relajación del acero.
Seguridad estructural
Las estructuras de los edificios, cuya función es resistir las acciones a que están
sometidos, suelen ser de hormigón armado. En los años 1960, se inició el desarrolló
la teoría de la seguridad estructural respecto de los Estados límites, estableciéndose
valores máximos en las flechas y en la fisuración de los elementos estructurales,
acotando los riesgos.
Estados límites
El concepto de Estado límite tuvo su auge en los años 1970, como conjunto de
requerimientos que debía satisfacer un elemento estructural para ser considerado
apto. Los reglamentos se centraron en dos tipos: los Estados límites de servicio y los
Estados límites de solicitación.
Coeficientes de seguridad
Los reglamentos de los años 1970, para poder simplificar los complejos cálculos de
probabilidades, establecieron los Coeficientes de seguridad, en función de la calidad
de los materiales, el control de la ejecución de la obra y la dificultad del proyecto. Se
introdujeron los Coeficientes de mayoración de cargas o acciones, y los Coeficientes
de minoración de resistencia de los componentes materiales.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL2.2.9 Hormigones especiales
Hormigón Liviano
Se designa convencionalmente como hormigones livianos a aquellos que producen
una densidad inferior a 1.9 kg/dm3.
Los hormigones livianos tienen un amplio campo de uso en los casos en que se
desea obtener aislación térmica y secundariamente acústica y también para rebajar
el peso muerto actuante sobre los elementos estructurales resistentes.
Tienen como principal limitación su baja resistencia y su alta retracción hidráulica,
aspectos que deben ser debidamente considerados al contemplar su uso.
Densidades como las indicadas para los hormigones livianos se obtienen con la
incorporación de aire en el hormigón, lo cual puede efectuarse introduciendo por dos
caminos distintos a través de los áridos, es decir, empleando áridos livianos, o bien
directamente en la masa del hormigón.
Hormigones de Áridos Livianos
Los áridos livianos pueden ser de origen natural o bien producido artificialmente.
Áridos livianos de origen natural.- Corresponden a materiales en los cuales ha
quedado aire atrapado en su interior durante su proceso de formación. Esta
situación de presenta, por ejemplo, en las rocas de origen volcánico, como ser las
lavas y las piedras pómez, siendo este ultimo el árido liviano mas utilizado.
Con estos materiales de origen natural, el rango de densidades obtenidos es más
bien alto, cercano al límite superior de la densidad definida como máxima para los
hormigones livianos.
Otro tipo de áridos de origen natural constituye los originados mediante deshechos
de la madera, entre los cuales se cuentan las virutas y el aserrín.
La obtención de hormigones livianos con este tipo de áridos debe considerar
especialmente el efecto retardador que algunos tipos de madera ejercen sobre el
fraguado de la pasta de cemento, debiendo preverse en algunos casos el
tratamiento de estos materiales para atenuar o inhibir los efectos señalados.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILÁridos Livianos de Origen Artificial.- Los áridos de origen artificial corresponden a
materiales especiales, tales como pizarras, arcillas, esquistos, los que al ser tratados
mediante calor hasta su fusión incipiente y producirse en su interior desprendimiento
de gases de los materiales que los constituyen, se expanden, disminuyendo su
densidad. La producción de este tipo de áridos requiere de una metodología muy
estudiada para definir si un determinado material tiene características que lo
transformen en expandible y las condiciones en que esta expansión puede
producirse.
Se cuentan también en este tipo de áridos los provenientes de la escoria granulada
de alto horno, la cual en condiciones apropiadas de enfriamiento puede producir
áridos de baja densidad. En este tipo de árido debe examinarse con cuidado su
contenido de cenizas, pues estas pueden ejercer efectos nocivos sobre la pasta de
cemento.
Los áridos livianos de origen artificial permiten obtener hormigones de menor
densidad y mayor resistencia que los de origen natural.
Hormigones con aire incorporado en su masa
La incorporación de aire en la masa del hormigón puede efectuarse por dos métodos
principales: mediante una Granulometría cavernosa o bien por el uso de aditivos
incorporadores.
Hormigones cavernosos
Los hormigones cavernosos se constituyen empleando áridos con una granulometría
que tenga un contenido mínimo de granos finos. Para ello es frecuente emplear un
solo árido grueso, cuyas partículas se ligan mediante la cantidad estrictamente
necesaria de pasta de cemento como para recubrirlas y adherirlas entre sí.
El rango densidades posible de obtener con este tipo de áridos es mas bien alto, del
orden de 1.8 a 1.9 kg/dm3. Estos hormigones tienen la ventaja de poseer baja
retracción hidráulica.
Hormigones con aire incorporado mediante aditivos
Para este objeto se emplean aditivos similares a los descritos anteriormente para
incorporar aire en el hormigón con fines de protección de los procesos de hielo –
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILdeshielo, solo que en este caso la proporción empleada es significativamente más
alta.
Los aditivos más empleados son principalmente de dos tipos: aditivos que producen
su acción mediante reacciones químicas con los componentes del cemento y
aditivos que producen su acción por efectos físicos.
Propiedades de los Hormigones Livianos
Retracciones Hidráulicas: No existen estudios sistemáticos al respecto, pudiendo
señalarse que su valor es aproximadamente del orden del doble de los hormigones
convencionales.
Durabilidad: Tampoco ha sido estudiada, pero se puede señalar que los hormigones
livianos son más susceptibles a los ataques agresivos externos y a los fenómenos
de corrosión que los hormigones convencionales. En cambio, su resistencia a los
procesos de hielo-deshielo es similar al de los hormigones convencionales con aire
incorporado.
Ventajas y su influencia en la construcción
Su baja densidad y conductividad térmica.
Resistencias a solicitaciones mecánicas: acción de hielo-deshielo, acción del fuego.
De acuerdo a lo anterior se puede ver que es básicamente su densidad la que se
traduce en bajo peso, y su baja conductividad que influye directamente en su
capacidad como aislante térmico.
El bajo peso resulta ser un factor ventajoso si consideramos su influencia directa en
aspectos tales como transporte, montaje de elementos y estructuras. El hecho de
lograrse con este hormigón, elementos de menor peso, en comparación con el
hormigón tradicional, hace disminuir el costo en el transporte de estos. Se produce
además economía en los elementos resistentes ya que estos pueden lograrse de
menores secciones, ahorrando material.
Su capacidad como aislante térmico, así como las obras de ingeniería requieren
generalmente un hormigón particularmente resistente y compacto, en la edificación y
en las construcciones rurales, etc. Se necesitan mas bien materiales con buena
capacidad de aislamiento térmico. Es un hecho conocido que la capacidad de
aislamiento térmico de un material aumenta a medida que disminuye su densidad,
esto es en general, cuando aumenta su porosidad. Por lo tanto lo más favorable
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILseria que tuviese los poros más pequeños y en mayor numero, sin embargo esto
significaría un aumento de la absorción capilar por lo que ambas propiedades de los
agregados se deben manejar muy bien.
2.2.10 Hormigón armado y pretensado
Hormigón armado (HA), contiene en su interior una armadura metálica y trabaja
también a la flexión.
En la mayoría de los trabajos de construcción, el hormigón se refuerza con
armaduras metálicas, sobre todo de acero; este hormigón reforzado se conoce como
‘hormigón armado’. El acero proporciona la resistencia necesaria cuando la
estructura tiene que soportar fuerzas longitudinales elevadas. El acero que se
introduce en el hormigón suele ser una malla de alambre o barras sin desbastar o
trenzadas. El hormigón y el acero forman un conjunto que transfiere las tensiones
entre los dos elementos.
Hormigón pretensado (HP), es un hormigón armado a cuyas armaduras se las
tensa para que compriman.
El hormigón pretensado ha eliminado muchos obstáculos en cuanto a la
envergadura y las cargas que soportan las estructuras de hormigón para ser viables
desde el punto de vista económico. La función básica del acero pretensado es
reducir las fuerzas longitudinales en ciertos puntos de la estructura. El pretensado se
lleva a cabo tensando acero de alta resistencia para inducir fuerzas de compresión
al hormigón. El efecto de esta fuerza de compresión es similar a lo que ocurre
cuando queremos transportar una fila de libros horizontalmente; si aplicamos
suficiente presión en los extremos, inducimos fuerzas de compresión a toda la fila, y
podemos levantar y transportar toda la fila, aunque no se toquen los libros de la
parte central.
Estas fuerzas compresoras se inducen en el hormigón pretensado a través de la
tensión de los refuerzos de acero antes de que se endurezca el hormigón, aunque
en algunos casos el acero se tensa cuando ya se ha secado. En el proceso de
pretensado, el acero se tensa antes de verter el hormigón. Cuando el hormigón se
ha endurecido alrededor de estos refuerzos tensados, se sueltan las barras de
acero; éstas se encogen un poco e inducen fuerzas de compresión al hormigón. En
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILotros casos, el hormigón se vierte alrededor del acero, pero sin que entre en
contacto con él; cuando el hormigón se ha secado se ancla un extremo del refuerzo
de acero al hormigón y se presiona por el otro extremo con gatos hidráulicos.
Cuando la tensión es la requerida, se ancla el otro extremo del refuerzo y el
hormigón queda comprimido.
2.2.11 Prefabricados a base de cemento
Definición de Prefabricación
La Prefabricación se define como el intento de sistematización y coordinación entre
los distintos elementos constructivos destinado a facilitar su puesta en obra, lo cual
de una forma u otra siempre a estado presente en la construcción.
La aparición masiva recibe su gran impulso debido a la gran necesidad de construir
viviendas de una forma numerosa, barata y rápida, necesidades originarias en las
guerras, migraciones, centros urbanos y la explosión demográfica.
Los ensayos realizados hasta la fecha han alcanzado resultados no satisfactorios o
contradictorios, ya que la necesidad de crear grandes infraestructuras y la
imposibilidad de que la prefabricación total tenga cabida fuera de grandes
operaciones edificatorias, “pone en evidencia la imposibilidad de generalizar los
sistemas e incluso la economía de los métodos”.
El desarrollo de estos elementos ha llevado a un gran avance en cuanto a la
industrialización de elementos y a la incorporación de técnicas a la edificación
convencional. La construcción almacenes y naves industriales se hace casi
enteramente a través de la puesta en obra de este tipo de materiales.
La tendencia en otro tipo de edificaciones es creciente a la hora de incorporar
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILelementos estandarizados y coordinados, lo cual no repercute en los aspectos de
calidad y versatilidad de la edificación.
Conglomerante, (Cemento)
Existe una gran variedad de cementos, los cuales poseen distintas características
atendiendo a su composición, la cual consiste principalmente en SC3 (silicato
tricalcico también conocido como ALITA) SC2 (silicato bicalcico) en un 75%-80%, y
el FaC4 (ferrito aluminato tricálcico) AC3 (aluminato tricálcico) que se encuentran
formando entre el 25% y 20%.
Cada uno de estos componentes tiene su repercusión en las características y
comportamiento del cemento, como por ejemplo la Velocidad de Hidratación, el
Calor de Hidratación, la Estabilidad de Volumen o la Estabilidad Química frente a
agentes agresivos.
En el caso que nos ocupa (Prefabricados), la elección del cemento debe ser
estudiada con detenimiento, debido a la necesidad de una serie de características y
comportamientos que vamos a exigir al mismo.
En primer lugar habría que analizar algunas condiciones que el mismo proceso de
fabricación y destino del producto nos impone:
Al tratarse de una fabricación en serie, y con la intención de que el material no
repose demasiado tiempo en los moldes, que deben seguir siendo utilizados, se
precisa de un cemento que aporte unas resistencias medio-altas tempranas.
En elementos como las viguetas prefabricadas que poseen un pretensado de
cables de acero, también hay que exigirle al cemento que aporte una buena
protección hacia el metal.
El cemento no puede producir grandes efectos de retracción y fisuración en
su volumen, siempre y cuando el elemento a producir sea de gran magnitud, para
elementos de mediana entidad estos efectos no son relevantes en la configuración
final de dicho elemento.
Atendiendo a las exigencias anteriores, podemos deducir que el mejor cemento a
utilizar en nuestro caso sería un cemento rico en SC3 (Silicato tricálcio o ALITA),
debido a las características y comportamientos que este compuesto aportan
cemento, las principales son:
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Alto calor de hidratación
Rapidez de hidratación
Alta resistencia inicial, para no retardar en exceso el desmoldeo.
Gran protección de las armaduras.
En este caso la característica negativa de este tipo de cemento es:
Las variaciones de volumen, retracciones y fisuraciones, aunque debido a la medio-
baja entidad de nuestros elementos a fabricar no es algo de lo que nos debamos
preocupar en exceso
Es recomendable y aconsejable la utilización de cementos ricos en SC3 (Silicato
tricálcico o ALITA), en la construcción de Prefabricados en general, en elementos
pretensados y en hormigonados en tiempos fríos. Podrían ser por tanto un CEM I
(portland) ó CEM II ( portland con escoria o humo de sílice).
2.3. MATERIALES CERÁMICOS
Los materiales cerámicos son aquellos
obtenidos a partir de la desecación y cocción
de arcillas, a las cuales son añadidas algunas
sustancias aditivas.
Un material cerámico es un tipo de material
inorgánico, no metálico, buen aislante y que
además tiene la propiedad de tener una
temperatura de fusión y resistencia muy elevada. Asimismo, su módulo de Young
(pendiente hasta el límite elástico que se forma en un ensayo de tracción) también
elevado, además presentan un modo de rotura frágil.
Existen materiales cerámicos cuya tensión mecánica en un ensayo de compresión
puede llegar a ser superior a la tensión soportada por el acero. La razón, viene dada
por la compresión de los poros/agujeros que se han creado en el material. Al
comprimir estos poros, la fuerza por unidad de sección es mayor que antes del
colapso de los poros.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILOtras características que separan estas categorías. Las cerámicas tradicionales son
normalmente basadas en la arcilla y sílice
Clasificación
El producto obtenido dependerá de la naturaleza de la arcilla empleada, de la
temperatura y de las técnicas de cocción a las que ha sido sometido. Así tenemos:
Materiales Cerámicos Porosos
No han sufrido vitrificación, es decir, no se llega a
fundir el cuarzo como la arena. Su fractura (al
romperse) es terrosa, siendo totalmente permeables
a los gases, líquidos y grasas. Los más importantes:
Arcilla cocida. De color
rojizo debido al óxido de hierro de las arcillas que la
componen. La temperatura de cocción es de entre 700 a
1.000 °C. Si una vez cocida se recubre con óxido de estaño
(similar a esmalte blanco), se denomina loza estannífera.
Se fabrican: baldosas, ladrillos, tejas, jarrones, cazuelas, etc.
Refractarios. Se trata de arcillas cocidas porosas en cuyo interior hay unas
proporciones grandes de óxido de aluminio, torio, berilio y circonio. La cocción se
efectúa entre los 1.300 y los 1.600 °C. El enfriamiento se debe realizar lenta y
progresivamente para no producir agrietamientos ni tensiones internas. Se obtienen
productos que pueden resistir temperaturas de hasta 3.000 °C. Las aplicaciones más
usuales son:
Ladrillos refractarios, que deben soportar altas temperaturas en el interior de
hornos.
Electrocerámicas: Con las que en la actualidad se están llevando a cabo
investigaciones en motores de automóviles, aviones, generadores eléctricos, etc.,
con vistas a sustituir elementos metálicos por refractarios, con los que se pueden
obtener mayores temperaturas y mejor rendimiento. Una aplicación no muy lejana
fue su uso por parte de la NASA para proteger la parte delantera y lateral del
Challenger en el aterrizaje.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILMateriales Cerámicos Impermeables Y Semi-Impermeables
Se los ha sometido a temperaturas bastante altas
en las que se vitrifica completamente la arena de
cuarzo. De esta manera se obtienen productos
impermeables y más duros. Los más destacados:
Gres cerámico común.- Se obtiene a partir de
arcillas ordinarias, sometidas a temperaturas de
unos 1.300 °C. Es muy empleado en pavimentos.
Gres cerámico fino.- Obtenido a partir de arcillas refractarias (conteniendo óxidos
metálicos) a las que se le añade un fundente (feldespato) con objeto de rebajar el
punto de fusión. Más tarde se introducen en un horno a unos 1.300 °C. Cuando está
a punto de finalizar la cocción, se impregnan los objetos de sal marina. La sal
reacciona con la arcilla y forma una fina capa de silicoalunminato alcalino vitrificado
que confiere al gres su vidriado característico.
Porcelana. Se obtiene a partir de una arcilla muy pura, denominada caolín, a la que
se le añade fundente (feldespato) y un desengrasante (cuarzo o sílex). Son
elementos muy duros soliendo tener un espesor pequeño (de 2 a 4 mm), su color
natural es blanco o translucido. Para que el producto se considere porcelana es
necesario que sufra dos cocciones: una a una temperatura de entre 1.000 y 1.300 °C
y otra a más alta temperatura pudiendo llegar a los 1.800 °C. Teniendo multitud de
aplicaciones en el hogar (pilas de cocina, vajillas, etc.) y en la industria (toberas de
reactores, aislantes en transformadores, etc.). Según la temperatura se distinguen
dos tipos:
Porcelanas blandas. Cocidas a unos 1.000 °C, se sacan se les aplica esmalte y se
vuelven a introducir en el horno a una temperatura de 1.250 °C o más.
Porcelanas duras. Se cuecen a 1.000º C, a continuación se sacan, se esmaltan, y se
reintroducen en el horno a unos 1.400 °C o más. Si se decoran se realiza esta
operación y luego se vuelven a introducir en el horno a unos 800 °C.
Materiales refractarios.- Según la norma Europea DIN 51060/ISO/R 836, considera
resistente al calor aquel material que se reblandece a una temperatura inferior de
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL1,500°C; y refractario, aquel material que se reblandece con un mínimo de
temperatura de 1,500°C y alta refractariedad para aquel material que se reblandece
a un temperatura mínima de 1,800;°C.
En general, los materiales cerámicos usados para aplicaciones en ingeniería pueden
clasificarse en dos grupos: materiales cerámicos tradicionales y materiales
cerámicos de uso específico en ingeniería. Normalmente los materiales cerámicos
tradicionales están constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice
(pedernal) y feldespato.
2.3.1 NATURALEZA Y MATERIAS PRIMAS
En las cerámicas tradicionales se utilizan materias primas de depósitos naturales
Arcillas, feldespatos y cuarzo poco purificadas. Se forman múltiples fases en la
cocción para cada composición se dan muchas aplicaciones en las cerámicas
técnicas. Las materias primas son de pureza alta presentan fase única cada
composición tiene una aplicación específica.
Conformación de las cerámicas.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILMateriales cerámicos – Colaje - Extrusión (calibrado, torneado) – Prensado -
Materiales vítreos – Extrusión – soplado – Estirado.
Cocción.
Reacciones químicas que den lugar a fases determinadas de interés, procesos de
sintetización (densificación, crecimiento de grano, disminución de porosidad)
La cerámica es la industria más antigua de la humanidad, es una idea genial del
hombre y fecunda pues se ha desarrollado ampliamente a lo largo de la historia no
sólo en cantidad sino en la variedad de productos, algunos de ellos, de importancia
trascendental para las tecnologías modernas.
Se dividen en dos ramas:
La Tejería: elabora materiales de construcción (ladrillos, tejas, tubos, etc..)
La Alfarería: elabora cerámica fina (loza, porcelana)
Las materias primaspara la obtención de estos productos son:
Arcillas
La arcilla es la principal materia prima para la fabricación de ladrillos, tejas, piezas
especiales, etc. Se trata de una roca que procede de la desintegración de otras
rocas formadas por "minerales arcillosos" que, químicamente son silicatos de
aluminio hidratados, los cuales se diferencian unos de otros en la relación
sílice/alúmina, en la cantidad de agua de constitución y en la estructura que
contienen. La acción continuada y perseverante de los agentes atmosféricos sobre
estas rocas las descompone y dan lugar a las arcillas que, frecuentemente, son
transportadas por el agua o el viento a distancias más o menos largas.
A veces entre las arcillas se encuentran fragmentos de la roca de procedencia; otras
veces se hallan minerales o rocas que entraron en contacto con la arcilla durante su
transporte hasta el lugar de sedimentación. Con frecuencia se ven alteradas por
acciones (temperatura, presión, etc.) ejercidas sobre ellas durante la consolidación.
Puede comprenderse por ello que la variedad de arcillas es muy grande y con una
gran gama de coloraciones, plasticidades, composición química, etc. En general no
se encuentran arcillas puras de cada tipo, sino mezcladas, aunque predomine un
mineral determinado. Las arcillas más puras son las caoliníticas, las cuales, por
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILpresentar un elevado porcentaje de alúmina y, por lo tanto, un elevado punto de
fusión, tienen después de cocidas propiedades refractarias. Las arcillas son las
menos empleadas en cerámica. Las ilíticas son las más utilizadas, por ser las más
abundantes.
Una de las principales características de las arcillas es la plasticidad. Se entiende
por tal la propiedad de un cuerpo que puede deformarse bajo la acción de un
esfuerzo y que permanece deformado después de retirada la causa que ha
producido dicho cambio. La plasticidad depende de muchas propiedades de las
arcillas, y una de ellas es el contenido en agua. Si la arcilla está totalmente seca, no
es plástica. Si se le añade agua, se observa un incremento de la plasticidad, que
llegará a un máximo para un contenido de agua determinado. Si seguimos
añadiendo agua, se obtiene un líquido más o menos viscoso pero toda idea de
plasticidad habrá desaparecido.
Desgrasantes
Se puede reducir la plasticidad mediante la adicción de materias no plásticas que
reciben el nombre de desgrasantes y que disminuyen la contracción y facilitan la
salida del agua del interior de la masa, plásticas para hacer perder plasticidad
evitando que se adhieran objetos en contacto con ellas y permita el moldeo correcto
de los productos Entre los desgrasantes normalmente usados figura el ladrillo molido
procedente de los ladrillos rotos y que no debe ser extremadamente fino ni todo del
mismo tamaño, las cenizas que quedan en el horno y con frecuencia arena, la cual
debe ser de naturaleza silícea, exenta de
Granos calizos y bastante finos.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL2.3.2. Proceso de fabricación
Preparación de materiales.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILComo se ha explicado en epígrafes precedentes la mayoría de los productos
cerámicos están fabricados por aglomeración de partículas. Las materias primas
para estos productos varían dependiendo de las propiedades requeridas por la pieza
cerámica terminada. Las partículas y otros ingredientes, tales como aglutinantes y
lubricantes, pueden ser mezclados en seco o en húmedo. Para productos cerámicos
que no necesitan tener propiedades muy "exigentes", tales como lacrillos comunes,
tuberías para alcantarillados y otros productos arcillosos es una práctica común
mezclar los ingredientes con agua. Para otros materiales cerámicos, las materias
primas son partículas secas con aglutinantes y otros aditivos. Algunas veces se
combinan ambos procesos –húmedo y seco-. Por ejemplo, para producir un artículos
cerámicos con gran proporción de Al2O3 que sea buen aislante, las partículas de
materia prima se mezclan con agua y junto con un aglutinante de cera para formar
una suspensión que posteriormente se atomiza y seca para obtener pequeñas
partículas esféricas
Conformación.
La producción de cerámicos fabricados por aglomeración de partículas pueden
conformarse mediante varios métodos en condiciones secas, plásticas o liquidas.
Los procesos de conformado en frío son predominantes en la industria cerámica,
aunque se usan también es un cierto grado los procesos de conformado en caliente.
Compactación, moldeo en barbotina y extrusión son los métodos de modelado de
cerámicos que se utilizan mas comúnmente.
Antes de examinar las vasijas encontradas en un yacimiento arqueológico es
necesario conocer el proceso por el que la materia prima se transforma en un
producto cerámico.
Si queremos establecer un sistema para clasificar la cerámica hemos de conocer las
características físicas de la materia prima y entender cómo les afectan todas las
etapas del proceso de fabricación, así como reconocer e identificar correctamente
las huellas que dejan estas actividades.
Las fases principales en la fabricación de la cerámica son:
1. Obtención de la materia prima
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL2. Preparación de la materia prima
3. Modelado de la vasija
4. Tratamientos anteriores a la cocción
5. Secado
6. Cocción
7. Tratamientos posteriores a la cocción
Estos pasos están unidos por complejas interrelaciones debidas, por una parte, al
carácter de la materia prima y de las herramientas, la habilidad del ceramista y al
entorno productivo y, por la otra, al tipo de producto deseado.
Materias Primas Para La Fabricación De La Cerámica
Las materias primas esenciales de un producto de cerámica son la arcilla y el agua.
Se pueden añadir productos no plásticos (“desgrasantes”) a la mezcla de arcilla y
puede que se necesiten engobes, pinturas o barnices para el acabado de las vasijas.
Para cocerlas, es preciso disponer de combustible.
Arcilla
Es un material complejo, pero sus dos características principales son el pequeño
tamaño de sus partículas y la elevada proporción de “minerales de arcilla” en la
mezcla. El componente mineral de la arcilla deriva de la erosión de las rocas. El
tamaño de sus partículas y las características de estos minerales proporcionan a la
arcilla las propiedades físicas y químicas que permiten modelarla y cocerla, creando
la cerámica.
Agua
La mezcla de arcilla y agua da lugar a un medio plástico moldeable, que se puede
tornear y cocer. Se incorporan a la arcilla, además, sales solubles disueltas en agua
mezclando agua salada con la arcilla antes de moldear la pieza o sumergiendo la
vasija ya hecha en agua de mar antes de cocerla.
Combustible
Para cocer las cerámicas se necesita combustible, así como para facilitar el secado
y ahumado de las piezas, procesos estos últimos cuyo propósito consiste en extraer
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILel exceso de humedad de la pasta. Los combustibles varían en cantidad y calidad
del calor y humo que producen, por lo que pueden ser más adecuados para una
parte del proceso de cocción que para otra o que afecten al producto de distintas
maneras. Incluso la variación estacional del combustible produce cambios en el color
del barniz. Para clasificar la cerámica arqueológica hay que tener en cuenta estas
variaciones.
La madera tenía un uso extendido como combustible en la manufactura de la
cerámica tradicional, si bien ésta no suele ser de mucha calidad. Más bien se suelen
usar productos resultantes de procesos agrícolas, como la poda de árboles frutales u
olivos, cáscaras de coco, fibras o virutas arrancadas de la madera al cepillarla. Otro
combustible habitual es el estiércol.
Preparación De La Arcilla
La preparación de la arcilla entra en dos categorías. En primer lugar debemos
mencionar la purificación: la extracción de materiales no deseados, como las raíces
y otras sustancias orgánicas, o de guijarros grandes. En segundo lugar, puede que
sea necesario alterar las propiedades del material. El objetivo es obtener un
producto regular y uniforme, un material cuyas propiedades sean predecibles y
controlables y las adecuadas para los procesos de formación y cocción que se
vayan a emplear. Según la función a que se vayan a dedicar las vasijas se
necesitarán distintas mezclas de arcilla para su producción. Se pueden mezclar dos
o más tipos de arcilla, añadiendo quizás desgrasantes no plásticos.
Modelado
Los ceramistas disponen de una amplia gama de técnicas para realizar su obra y
pueden combinar varios métodos.
Hay que distinguir bien entre los métodos de modelado primarios, que nos
proporcionan la forma básica de la vasija, y los secundarios, que definen los
detalles. Se pueden dividir los métodos de modelado primarios en dos, a mano y por
rotación, este último con un torno.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILTécnicas De Trabajo A Mano Y De
Moldeado
Las vasijas más sencillas se hacen
ahuecando el centro de una bola de arcilla y
dándole forma entre el pulgar y los dedos.
Esta técnica se suele usar sólo para hacer
pequeñas vasijas redondeadas o como
técnica secundaria para realizar elementos
adicionales que se añaden a la pieza
elaborada.
También se pueden juntar tiras planas de arcilla apretando o pinchando los bordes.
Aunque es más adecuada para hacer vasijas rectangulares, con esta técnica se
pueden fabricar vasijas circulares. También se pueden hacer vasijas uniendo series
de rollos como si fuesen anillos o formando una espiral continua.
Una vez la vasija ha alcanzado cierto tamaño es necesario moverla. Se la puede
colocar sobre un soporte móvil, como una estera, o una base fija hecha
especialmente para la fabricación de cerámica.
Uso Del Torno
El proceso de fabricación de vasijas a torno es el
que la cultura popular asocia más con el de
producción de la cerámica. La mayoría de los
autores distinguen dos clases de tornos:
El torno más sencillo, también denominado torno
de manubrio o rueda simple, es un sencillo volante
que gira sobre un pivote central. La superficie más elevada tiene una pequeña
depresión en un punto cerca del perímetro; en esta oquedad se inserta un manubrio,
con ayuda del cual se inicia la rotación del torno o se le acelera cuando ésta
disminuye.
El torno tipo pozo está compuesto por dos volantes unidos a un largo eje central y
sostenidos por una agarradera abajo y un soporte arriba. El disco inferior es más
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILgrande y pesado y es el que mantiene el impulso aplicado por la persona que
imprime el movimiento de rotación con el pie.
Tratamiento De La Superficie
Las operaciones de desbarbado y raspado sirven para alisar las irregularidades que
deja la fabricación con anillos o tiras de barro, así como para unir las distintas partes,
pero al mismo tiempo alteran la apariencia de la vasija.
Uno de los tratamientos de la superficie más comunes es el bruñido, que consiste en
frotar la vasija con un guijarro liso o con alguna otra herramienta para que la
superficie se vuelva compacta y quede una serie de facetas y cierto lustre sobre la
superficie. Hay otros tipos de decoración de la superficie. Muchos de ellos implican
la necesidad de horadar, comprimir o cortar la superficie de la vasija con una
herramienta.
Secado
Antes de cocerla, hemos de secar la vasija ya acabada, con el fin de eliminar el agua
acumulada junto a las partículas de arcilla. Este proceso se puede llevar a cabo al
aire libre o en cobertizos calentados especialmente.
Durante el secado la vasija se encogerá, lo que causa una presión que puede
acabar en grietas. La forma y posición de estas grietas refleja en cierto modo los
procedimientos empleados en la manufactura de la vasija; uno de los ejemplos más
frecuentes es la grieta en forma de S en la base de las vasijas hechas a torno.
El proceso de secado concentra también las sales disueltas y las partículas finas de
arcilla en la superficie debido al movimiento de del agua a través de la pared. Es
importante distinguir esto de los efectos producidos por los engobes, las pinturas y
otros tratamientos de la superficie.
Cocción
El propósito de la cocción es transformar los minerales de arcilla en un material
nuevo, la cerámica. En algunas arcillas los cambios se producen al alcanzar los 550-
600ºC. La cerámica que no alcanza esta temperatura durante la cocción suele
desintegrarse cuando se le sumerge en agua.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILPodemos reconocer dos modalidades de cocción:
La cocción abierta, también denominada cocción en montón o en hoguera, en la que
las vasijas y el combustible entran en contacto directo y se amontonan sobre el
suelo o en un hoyo excavado en el terreno.
Cocción A Fuego Abierto
El método habitual consiste en amontonar las vasijas sobre una capa de combustible
además de mezclarlo dentro y alrededor de la cerámica, cubriendo incluso todo el
montón con más combustible y\o con una capa de fragmentos de cerámica
procedentes de cocciones anteriores. Se prende el combustible y se quema todo.
Puede que la característica más notable de la cocción abierta sea el rápido
incremento de la temperatura desde el primer momento y su corta duración. La
temperatura tarda unos pocos minutos en alcanzar su intensidad máxima; al cabo de
poco rato se pueden retirar las vasijas ya cocidas.
El más simple de los fuegos abiertos únicamente permite la cocción de un número
reducido de vasijas, tal vez sólo una o dos, en un hoyo excavado en el suelo. Una
vez retiradas estas, la ceniza que queda se puede emplear como fertilizante.
Cocción En Horno Cerrado
Se pueden utilizar hornos domésticos, como los empleados para el pan, para cocer
cerámica, aunque es más frecuente construir una estructura especial. La cocción en
horno tiene como característica principal que la combustión se produce en un
espacio distinto al lugar en que se depositan los recipientes a cocer, pero ambos
están en comunicación. Esta cocción, a altas temperaturas, es más regular y evita
fracturas por cambios fuertes de temperatura.
Técnicas De Decoración.
Impresión: se aplica un objeto duro sobre la superficie aún blanda de la arcilla.
Objetos para la impresión: cestería, dedos, uñas, conchas, punzones, etc...
Incisión: Se aplica un objeto sobre el recipiente y se desplaza o arrastra por éste. El
perfil de las incisiones suele ser en “uve” o “u” (acanaladas)
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEsgrafiado: incisión poco profunda que se realiza cuando el recipiente está seco,
incluso cocido.
Escisión: decoración con zonas en altorrelieve (motivo) y otras en bajorrelieve
(negativo del motivo como consecuencia de la extracción de material.
Plástica: aplicación sobre la superficie de la cerámica de mamelones, cordones,
conchas, piedras, buscando una decoración.
Pintado: los motivos decorativos se realizan con algún tipo de pigmento.
Todas estas técnicas también se pueden combinar entre sí.
La decoración tiene una variada localización en el recipiente, apareciendo en todas
sus partes: labio, borde, cuello, galbo, base y elementos de sujección. También se
dan casos de decoraciones internas.
También son variados los motivos: líneas horizontales, verticales, oblicuas, cuadros,
rectangulos, ajedrezado, triángulos, rombos, zig-zag, espigas, dientes de sierra,
motivos circulares, espirales, etc.
2.3.3. Propiedades de los materiales cerámicos.
Los materiales cerámicos se caracterizan por:
Presentar gran resistencia, tanto química como térmica.
Tener gran dureza, es decir, poseen resistencia a ser rayados, perforados,
deformados... Por ello son frecuentemente empleados en la construcción.
Ser bastante frágiles.
Poseer capacidad aislante, tanto térmica como eléctrica.
Ser ligeros, es decir, tienen una densidad considerablemente baja.
En algunas ocasiones, estas propiedades se ven variadas por el uso de sustancias
aditiva
Las propiedades de los materiales cerámicos cubren un amplio intervalo de
necesidades.
Propiedades mecánicas, Propiedades térmicas, Propiedades ópticas, Propiedades
eléctricas, Propiedades magnéticas, Propiedades químicas.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEstructura de las cerámicas
Los materiales cerámicos suelen estar compuestos por al menos dos elementos
unidos formando óxidos, carburos, nitruros o boruros, mediante enlaces iónicos o
covalentes, dependiendo del tipo de cerámico. Por otra parte, suelen formar
microestructuras cristalinas en los que cada grano es un cristal aproximadamente
perfecto, pero con una estructura mucho más complicada que en los metales. La
estructura cristalina de cada grano, orientado de forma diferente, puede producir un
incremento de resistencia a la propagación de defectos a través del material.
La forma más usual en la que se fabrican estos materiales es en forma monolítica,
aunque también se encuentran en forma de compuestos de dos o más
componentes. El procesado de estos cerámicos se puede hacer de múltiples formas,
partiendo de polvos, a veces añadiendo alguna pequeña cantidad de un aglutinante,
y finalmente comprimiéndolos casi siempre a altas temperaturas. Con un buen
procesado se llega a obtener una porosidad prácticamente nula. La pureza de los
materiales puede llegar a ser muy elevada, encontrándose por ejemplo, alúminas
desde el 85% al 99.9%.
Durante el proceso, los pequeños granos no se orientan en ninguna dirección
predeterminada, sino de una forma aleatoria. Esta distribución al azar hace que a
escala macroscópica, las propiedades mecánicas que presentan sean isotrópicas.
El proceso de compactación y prensado de polvos puede dar lugar a cierta
porosidad en el producto final. Maximizar las propiedades mecánicas implica reducir
la porosidad al mínimo, pues los poros son pequeños defectos que pueden actuar
como concentradores de tensión e iniciadores del fallo prematuro del material No
obstante, la porosidad global de estos materiales suele ser casi nula y en
consecuencia la densidad aparente es prácticamente igual a su densidad teórica.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILPropiedades Mecánicas
Son duros y frágiles a temperatura ambiente debido a su enlace iónico/covalente (al
aplicarles una fuerza los iones de igual carga quedan enfrentados provocando la
rotura del enlace), este hecho supone una gran limitación en su número de
aplicaciones. Esta fragilidad se intensifica por la presencia de imperfecciones.
Son deformables a elevadas temperaturas ya que a esas temperaturas se permite el
deslizamiento de bordes de grano.
Propiedades Magnéticas
No suelen presentar propiedades magnéticas, sin embargo podemos encontrar
cerámicas con propiedades magnéticas de gran importancia como ferritas y
granates. Éstas son las llamadas cerámicas ferromagnéticas. En estas cerámicas
los diferentes iones tienen momentos magnéticos distintos, esto conduce a que al
aplicar un campo magnético se produzca como resultado una imantación neta.
Propiedades Eléctricas
Son en su mayoría aislantes eléctricos debido a que tienen una alta resistencia
dieléctrica y baja constate dieléctrica.
Algunos de ellos presentan otras propiedades dieléctricas como es la facilidad de
polarizarse.
Propiedades Térmicas
La mayoría de los materiales cerámicos tienen bajas conductividades térmicas
debido a sus fuertes enlaces iónico/covalentes. La diferencia de energía entre la
banda de covalencia y la banda de conducción en estos materiales es demasiado
grande como para que se exciten muchos electrones hacia la banda de conducción,
por este hecho son buenos aislantes térmicos. Debido a su alta resistencia al calor
son usados como refractarios, y estos refractarios son utilizados en las industrias
metalúrgicas, químicas cerámicas y del vidrio.
Propiedades químicas.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl análisis por vía húmeda ha sido la técnica que más se ha empleado para la
determinación de la mayoría de los elementos en los materiales cerámicos. Sin
embargo en la actualidad la determinación de las impurezas (microelementos) y de
la mayoría de los elementos químicos se realiza usando técnicas instrumentales que
son más rápidas y precisas. Análisis químicos a microescala son determinados
usando técnicas de haz de electrones.
Esta técnica permite realizar una caracterización de la pureza y calidad de las
materias primas iniciales así como la composición química. Durante el proceso
permite controlar el estado de ocurrencia de la reacción y su completamiento y al
finalizar el proceso comprueba la composición química resultante según el cálculo
realizado.
2.3.4 Utilización de los materiales cerámicos .
Su uso inicial fue, fundamentalmente, la elaboración de recipientes empleados para
contener alimentos o bebidas. Más adelante se utilizó para modelar figurillas de
posible carácter simbólico, mágico, religioso o funerario. También se empleó como
material de construcción en forma de ladrillo, teja, baldosa o azulejo, conformando
muros o revistiendo paramentos. La técnica del vidriado le proporcionó gran
atractivo, se utilizó también en escultura. Actualmente también se emplea como
aislante eléctrico y térmico en hornos, motores y en blindaje.
Utensilios
El torno y el horno son los elementos fundamentales e
importantes para la fabricación de la cerámica. Se
necesita además pinceles y varillas para la decoración.
Las principales herramientas o utensilios son:
Palillos de madera para modelar
Vaciadores
Herramientas de metal para esculpir
Medias lunas de metal o cuchillas de metal
Cortador de barro
Tornitas
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Tornos para ceramistas
Extrusoras
Buriles variados
Jeringa con varias puntas
Marcadores
Cortadores con formas
Pinceles punta de goma
Compás de escultor
Bancos de decoración de cerámica avanzada
Técnicas y materiales
Las distintas técnicas que se han ido utilizando han dado como resultado una gran
variedad de acabados:
Loza
Terracota
Terracota vidriada
Terracota esmaltada
Fayenza
Mayólica
Porcelana
Gres
Biscuit
La materia prima es la arcilla. Se emplea agua, sílice, plomo, estaño y óxidos
metálicos. Para la cerámica llamada gres se utiliza una arcilla no calcárea y sal. Otro
material importante para otro tipo de cerámica es el caolín mezclado con cuarzo y
feldespato. También se emplea el polvo de alabastro y mármol. Para las porcelanas
se utilizan los óxidos de potasio, magnesio y aluminio.
Decoración
Tanto antes como después de ser cocida, la pieza de alfarería puede ser adornada
sometiéndola a diferentes técnicas de decoración:
Impresa (cerámica cardial y cultura de la cerámica cordada).
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Incisa, como el esgrafiado
Bruñida
En relieve
Pintada
A lustre, identificada con algunas técnicas como la Loza dorada.
Los materiales cerámicos presetan las siguientes aplicaciones:
- Fabricación de productos de alfarería, debido a su dureza y resistencia al
calor.
-Losetas térmicas (transbordadores espaciales) por su baja conductividad
térmica.
-Fabricación de materiales de construcción (ladrillos,
cemento.azulejos,baldosas, etc), por su dureza y baja conductividad térmica y
eléctrica.
-Aislantes en aparatos electrónicos.
-Materiales refractarios, por su punto de fusión tan elevado.
- Sirven para pulir o afilar otros materiales de menor dureza.
2.4 Vidrios
El vidrio es un material inorgánico duro, frágil, transparente y amorfo que se
encuentra en la naturaleza, aunque también puede ser producido por el ser humano.
El vidrio artificial se usa para hacer ventanas, lentes, botellas y una gran variedad de
productos. El vidrio es un tipo de material cerámico amorfo.
El vidrio se obtiene a unos 1500 °C a partir de arena de sílice (Si O 2), carbonato de
sodio (Na2C O 3) y caliza (Ca C O 3).
El término "cristal" es utilizado muy frecuentemente como sinónimo de vidrio, aunque
es incorrecto en el ámbito científico debido a que el vidrio es un sólido amorfo (sus
moléculas están dispuestas de forma irregular) y no un sólido cristalino.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl vidrio es una de las descubiertas más sorprendentes del hombre y su historia es
llena de misterios. Aunque los historiadores no dispongan de datos precisos sobre
su origen, fueron descubiertos objetos de vidrio en las necrópolis egipcias, por eso,
se imagina que el vidrio ya era conocido hace por lo menos 4.000 años antes de la
Era Cristiana, y que fuera descubierto de forma casual.
Algunos autores apuntan los navegadores
fenicios como los precursores de la
industria del vidrio. Anclados en una playa
de la costa de Siria, los fenicios
improvisaron una higuera utilizando
bloques de salitre y soda y, algún tiempo
después, notaron que del fuego escurría
una sustancia brillante que se solidificaba inmediatamente. Allí nacía el vidrio.
Apenas próximo al año 100 a.C., las técnicas de fabricación se desarrollaron. Fue
cuando los romanos comenzaron a utilizar el soplo, dentro de moldes, en la
fabricación del vidrio, lo que posibilitó su producción en serie. El apogeo de este
proceso se dio en el siglo XIII, en Venecia. Tras incendios provocados por los hornos
de vidrio de la época, la industria de vidrios fue transferida para Murano, isla próxima
de Venecia. Las vidrierías de Murano producían vidrios en diversos colores, un
marco de la historia del vidrio, y la fama de sus cristales y espejos perduran hasta
hoy. Hasta 1900, la producción de esta materia prima aún era considerada un arte
casi secreto.
Francia ya fabricaba el vidrio desde la época de los romanos. Sin embargo, solo a
fines del siglo XVIII fue que la industria prosperó y alcanzó un grado de perfección
notable. A mediados de este siglo, el rey francés Luis XIV reunió algunos maestros
vidrieros y montó la Compañía de Saint-Gobain, para que fuesen hechos los espejos
del Palacio de Versalles en Francia, una de las más antiguas empresas del mundo,
hoy, una empresa privada.
La industria moderna del vidrio surgió con la revolución industrial y la mecanización
de los procesos. En 1952, en Inglaterra, Pilkington desarrolló el proceso para
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILproducción del vidrio Float, conocido también como cristal, que revolucionó la
tecnología de esta próspera industria.
Definición
El vidrio es una sustancia inorgánica, homogénea y amorfa, obtenida a través del
enfriamiento de una masa en fusión. Sus principales calidades son la transparencia
y la dureza. El vidrio tiene incontables aplicaciones en las más variadas industrias,
dada sus características de inalterabilidad, dureza, resistencia y propiedades
térmicas, ópticas y acústicas, volviéndose uno de los pocos materiales aún
insustituible, estando cada vez más presente en las investigaciones de desarrollo
tecnológico para el bienestar del hombre.
El vidrio es el nombre dado a todos los cuerpos amorfos que se obtienen mediante
la reducción de la temperatura de una masa fundida independientemente de su
composición química y el rango de temperatura de solidificación, que como resultado
del aumento gradual de la viscosidad adopta las propiedades mecánicas de un
cuerpo sólido.
El vidrio se funde a una temperatura entre 1000 y 2000 °C.
Cualidades y características:
Reciclable
Transparencia (permeable a la luz)
Dureza
No absorbencia
Óptimo aislador dieléctrico
Baja conductividad térmica
Recursos abundantes en la naturaleza
Durabilidad
Curiosidad sobre el vidrio
1) Con 1kg de pedazo de vidrio se puede hacer 1kg de vidrio nuevo
2) El mismo vidrio puede ser reaprovechado cuantas veces precise
3) Un vidrio tirado en la naturaleza lleva 4 mil años para desaparecer
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL4) Brasil alcanzó un índice del 45% en el reaprovechamiento de embalajes en
relación a la producción total en el país que es de 1.280 toneladas/año, según la
Asociación Brasileña de las Industrias de Vidrio (Abividro).
2.4.1 Estructura, composición y clasificación de los vidrios.
Estructura del vidrio.
Durante más de 50 años, los científicos han intentado entender algo en apariencia
tan sencillo como qué es el vidrio. Hasta ahora, el trabajo se ha concentrado en
intentar comprender el atasco, pero ahora PaddyRoyall, de la Universidad de Bristol,
y sus colegas en Canberra y Tokio, han demostrado que el problema realmente está
en el destino y no en el atasco.
El equipo ha revelado que el vidrio "fracasa" en su intento de convertirse en un
sólido normal debido a las estructuras atómicas especiales que se forman cuando se
enfría (esto es, cuando los átomos llegan a su destino).
Algunos materiales se cristalizan cuando se enfrían, posicionándose sus átomos en
un modelo muy regular, comparable en cierto modo a una celosía. Pero aunque el
vidrio "quiere" ser un cristal, cuando se enfría sus átomos se bloquean unos a otros
en una distribución casi aleatoria, impidiéndole formar una celosía regular.
El problema es que no se puede observar lo que sucede con los átomos cuando se
enfrían porque simplemente son demasiado pequeños. Valiéndose de partículas
especiales llamadas coloides, que imitan a los átomos en muchas cosas pero son lo
bastante grandes para resultar visibles utilizando la microscopía más avanzada,
Royall enfrió una serie de coloides y observó lo que sucedió.
Composición de los vidrios.
El vidrio es un mal conductor del calor y la electricidad, por lo que resulta práctico
para el aislamiento térmicoy eléctrico. En la mayoría de los vidrios, la sílice se
combina con otras materias primas en distintas proporciones. Los fundentes
alcalinos, por lo general carbonato de sodio o potasio, disminuyen el punto de fusión
y la viscosidad de la sílice. La piedra caliza o la dolomita (carbonato de calcio y
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILmagnesio) actúan como estabilizante. Otros ingredientes, como el plomo o el bórax,
proporcionan al vidrio determinadas propiedades físicas.
Vidrio soluble y vidrio sodocálcico
El vidrio de elevado contenido en sodio que puede disolverse en agua para formar
un líquido viscoso se denomina vidrio soluble y se emplea como barniz ignífugo en
ciertos objetos y como sellador. La mayor parte del vidrio producido presenta una
elevada concentración de sodio y calcio en su composición; se conoce como vidrio
sodocálcico y se utiliza para fabricar botellas, cristalerías de mesa, bombillas
(focos), vidrios de ventana y vidrios laminados.
Vidrio al plomo
El vidrio fino empleado para cristalerías de mesa y conocido como cristal es el
resultado de fórmulas que combinan silicato de potasio con óxido de plomo. El
vidrio al plomo es pesado y refracta más la luz, por lo que resulta apropiado para
lentes o prismas y para bisutería. Como el plomo absorbe la radiación de alta
energía, el vidrio al plomo se utiliza en pantallas para proteger al personal de las
instalaciones nucleares.
Vidrio de borosilicato
Este vidrio contiene bórax entre sus ingredientes fundamentales, junto con sílice y
álcali. Destaca por su durabilidad y resistencia a los ataques químicos y las altas
temperaturas, por lo que se utiliza mucho en utensilios de cocina, aparatos de
laboratorio y equipos para procesos químicos.
Clasificación del vidrio.
Vidrios primarios Son los que se obtienen directamente del horno de fundición.
Por su proceso de fabricación
Vidrio estirado Proceso por la cual una máquina estiradora levanta de la
superficie del vidrio fundido del horno la masa viscosa, que se transforma en
una lámina, mediante un enfriamiento progresivo y controlado en la chimenea
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILde recocido. El espesor del vidrio depende de la velocidad de estiramiento y de
la temperatura de la masa en fusión.
Vidrio estirado vertical Hay dos métodos de fabricación, según el modo de
estiramiento
El procedimiento Fourcault utiliza para recoger la hoja un colector de refractario
(debiteuse)
El procedimiento Pittsburgh levanta la hoja de vidrio a partir de un baño libre
(drawbar)
Vidrio estirado horizontal Este procedimiento presenta la particularidad de doblar la
hoja de vidrio hasta la horizontal después del pulido a fuego y antes de entrar en el
horno horizontal de recocido.
Vidrio pulido El vidrio en fusión sale del horno y es prensado entre dos
cilindros. Después de atravesar él horno de recocido, donde la lámina va
enfriándose lentamente de manera controlada, la cinta pasa en el «twin» que
es una máquina que desbasta simultáneamente las dos caras del vidrio. El
vidrio desbastado obtenido a la salida del «twin» tiene sus dos caras planas y
paralelas. El vidrio pasa luego debajo de las pulidoras que le dan su
transparencia.
Vidrio rolado Es el vidrio que no permite el registro ni la visibilidad de un lado a
otro. Se consideran dentro de este rubro a los vidrios que distorsionan a los
objetos que se aprecian a través del elemento. (como es el caso de los vidrios
grabados).
Vidrio grabado En el proceso del vidrio rolado, uno de los rodillos o ambos
pueden tener dibujos o grabados, lo que permite obtener el vidrio grabado o
impreso. El vidrio grabado o también llamado catedral, trasmite la luz en forma
difusa e impide la visión clara, brindando según el dibujo, diferentes grados de
translucidez e intimidad.
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2.4.2 Proceso de fabricación
El vidrio se fabrica a partir de una mezcla compleja de compuestos vitrificantes,
como sílice, fundentes, como los álcalis, y estabilizantes, como la cal. Estas materias
primas se cargan en el horno de cubeta (de producción continua) por medio de una
tolva. El horno se calienta con quemadores de gas o petróleo. La llama debe
alcanzar una temperatura suficiente, y para ello el aire de combustión se calienta en
unos recuperadores construidos con ladrillos refractarios antes de que llegue a los
quemadores.
El horno tiene dos recuperadores cuyas funciones cambian cada veinte minutos: uno
se calienta por contacto con los gases ardientes mientras el otro proporciona el calor
acumulado al aire de combustión. La mezcla se funde (zona de fusión) a unos
1.500 °C y avanza hacia la zona de enfriamiento, donde tiene lugar el recocido. En el
otro extremo del horno se alcanza una temperatura de 1.200 a 800 °C. Al vidrio así
obtenido se le da forma por laminación (como en el esquema superior) o por otro
método.
Vidrio (industria), sustancia amorfa fabricada sobre todo a partir de sílice (SiO2)
fundida a altas temperaturas con boratos o fosfatos. También se encuentra en la
naturaleza, por ejemplo en la obsidiana, un material volcánico, o en los enigmáticos
objetos conocidos como tectitas.
1. Materia prima
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl vidrio destinado al acondicionamiento se compone de materia abundante y
naturales:
• 71% de arena
• 14% de sosa procedente de carbonato sódico
• 11% de cal procedente de carbonato de calcio
• 4% de constituyentes varios, en especial colorantes.
A esta mezcla se le añade calcin, vidrios rotos provenientes de los residuos de
fabricación, de la recogida selectiva de residuos o de los contenedores de reciclaje.
El uso de calcin permite aprovechar los residuos de los envases y ahorrar energía y
materia prima.
2. Horno
La mezcla de materia prima y calcin se funde en continuo en unos hornos a una
temperatura que roza los 1.500ºC. Estos hornos funcionas ininterrumpidamente las
24 horas del dia y los 7 dias de la semana.
Su vida útil varia entre 8 y 10 años. Entre la introducción de la materia prima y la
salida del vidrio en fusión, transcurren unas 24 horas.
El vidrio en función es transportado luego por unos canales de distribución,
conocidos como feeders, hasta las maquina de conformado. En el extremo del
feeders el flujo de vidrio en función se corta en gotas. El peso, la forma y la
temperatura de la gota se controlan con mucha precisión
Cada año, el polo acondicionamiento de Saint-Gobain produce alrededor de 8,3
millones de toneladas de vidrio, o sea, unos 30.00 millones de botellas y de tarros
3. Conformación
La conformación consiste en dar forma a un articulo de vidrio hueco por moldeo con
la ayuda de un punzón metálico o de aire se efectúa por lo general en dos etapas y
es son:
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILLa gota se transforma por soplado o prensado en una preforma hueca de forma
intermedia que ya tiene la embocadura final.
A continuación, la preforma se transmite mediante un brazo a un molde terminador
que, por soplado, confiere su forma final a la botella o al tarro. El envase de vidrio se
extrae del molde de acabado con una pinza, colocándose en una placa de
enfriamiento, antes de pasar a la cinta transportadora.
Las botellas y los tarros de vidrio salen de la maquina a unas temperaturas que
superan los 500 ºC. la totalidad del ciclo de conformado no dura mas que unos
segundo.
4. Archa de recocido
Para garantizar la solidez de los envases de vidrio, deben calentarse y después
enfriarse progresivamente en un túnel llamado horno (o archa) de recocido. La
duración de este proceso oscila entre 30 minutos y dos horas. Con objeto de
aumentar su resistencia al rayado, las botellas y los tarros reciben, generalmente, un
tratamiento de superficie aplicado en caliente (antes de su paso por el horno) y en
frio después de su salida.
Los envases de vidrio hueco están ya determinados.
5. Máquina de control
Para asegurar la calidad de sus productos, Saint-Gobain controla todos y casa uno
de ellos con ayuda de instrumento perfeccionado de funcionamiento mecánico, por
video o mediante un haz luminoso.
De esta manera, el cierre, las dimensiones, el grosor de vidrio y las cualidades
estéticas se someten a procesos de control.
Todos los envases de vidrio no satisfactorios se eliminan automáticamente,
fundiéndose de nuevo en el horno.
6. Expedición
Antes de expedición, las botellas y los tarros se reagrupan en embalajes industriales,
confeccionados o reciclables. Una vez formado el pale de envases de vidrio, se
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILcubre totalmente con una funa de plástico para proteger los productos de de Saint-
Gobain durante las operaciones de manutención y almacenamiento.
A continuación, las botellas y los tarros se expiden para ser llenado o bien para ser
llenados o bien decorados mediante destintos proceso que aumentan asi su valor
añadido.
2.4.3 Propiedades
Se disuelve en ácido fluorhídrico formando el gas tetrafluoruro de silicio, SiF4 , y es
atacado por los ácidos nítrico, clorhídrico y sulfúrico, aunque el dióxido de silicio
formado inhibe la reacción. También se disuelve en hidróxido de sodio, formando
silicato de sodio y gas hidrógeno. A temperaturas ordinarias el silicio no es atacado
por el aire, pero a temperaturas elevadas reacciona con el oxígeno formando una
capa de sílice que impide que continúe la reacción. A altas temperaturas reacciona
también con nitrógeno y cloro formando nitruro de silicio y cloruro de silicio
respectivamente.
El silicio constituye un 28% de la corteza terrestre. No existe en estado libre, sino
que se encuentra en forma de dióxido de silicio y de silicatos complejos. Los
minerales que contienen silicio constituyen cerca del 40% de todos los minerales
comunes, incluyendo más del 90% de los minerales que forman rocas volcánicas. El
mineral cuarzo, sus variedades (cornalina, crisoprasa, ónice, pedernal y jaspe) y los
minerales cristobalita y tridimita son las formas cristalinas del silicio existentes en la
naturaleza.
El dióxido de silicio es el componente principal de la arena. Los silicatos (en concreto
los de aluminio, calcio y magnesio) son los componentes principales de las arcillas,
el suelo y las rocas, en forma de feldespatos, anfíboles, piroxenos, micas y ceolitas,
y de piedras semipreciosas como el olivino, granate, zircón, topacio y turmalina.
Tipos de Propiedades.
Propiedades Mecanicas.
Densidad 2500 kg/m3
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Un panel de 4 mm de espesor de vidrio pesa 10kg/m2
Dureza 470 HK
La dureza del vidrio flotado se establece conforme a
Knoop. La base es el método de ensayo dado en la norma
DIN 52333 (ISO 9385).
Resistencia a la
comprensión
800 - 1000 MPa
La resistencia a la compresión define la capacidad de un
material para soportar una carga aplicada verticalmente a
su superficie.
Módulo de
elasticidad
70 000 MPa
El módulo de elasticidad se determina a partir del
alargamiento elástico de una barra fina, o bien doblando
una barra con una sección transversal redonda o
rectangular.
Resistencia a la
flexión
45 MPa
La resistencia a la flexión de un material, es una medida
que valora su resistencia durante la deformación. Se
determina por ensayos de flexión en la placa de vidrio,
utilizando el método del anillo doble, de acuerdo a la
norma EN 1288-5.
Propiedades Térmicas.
Rango de
transformación
520 - 550 °C
Temperatura para su
emblandecimiento
aprox. 600 °C
Contrariamente a los cuerpos sólidos de estructura
cristalina, el vidrio no tiene punto de fusión definido.
Se transforma continuamente desde el estado sólido
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al estado plástico viscoso. El rango de transición se
denomina rango de transformación y de acuerdo con
DIN 52324 (ISO 7884), se encuentra entre 520 °C y
550 °C. El templado y el curvado, requieren una
temperatura suplementaria más de 100 °C.
Calor específico 0,8 J/g/K
El calor específico (en Julios) define la cantidad de
calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de
vidrio flotado en 1K. El calor específico del vidrio
aumenta ligeramente la temperatura, que va
aumentando hasta el intervalo de transformación.
Conductividad
térmica:
0,8W/mK
la cantidad de calor requerido para fluir a través del
área de sección transversal de la muestra de vidrio
flotado en el tiempo en que disminuye la
temperatura.
Expansión termal 9.10-6 K-1
Encontramos un diferente comportamiento en la
expansión del cuerpo bajo efecto de calor, en caso
de expansión lineal y expansión volumétrica. Con los
cuerpos sólidos, la expansión volumétrica es tres
veces el de la expansión lineal. El coeficiente de
temperatura de expansión del vidrio flotado se
administra de acuerdo a DIN 52328 e ISO 7991.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILPropiedades ópticas
El vidrio tiene varios puntos fuertes en cuanto a sus propiedades ópticas:
- Puede ser producido en paneles grandes y homogéneos
- Sus propiedades ópticas no se ven afectadas por el paso del tiempo
- Esta producido con superficies perfectamente planas y paralelas
Índice de
refracción
n = 1.52
Si la luz de un medio ópticamente menos denso (aire)
se encuentra con un medio ópticamente más denso
(vidrio), entonces el rayo de luz se divide en las
interfaces de superficie. La medida de la desviación
determina el índice de refracción. Para el vidrio flotado,
este índice de refracción es n = 1,52.
Propiedades Técnicas.
Resistencia frente: Agua = clase 3 (DIN 52296)
Ácido = clase 1 (DIN 12116)
Alcalino = clase 2 (DIN 52322 e ISO 695)
Pruebas de
desgaste:
Ensayos de abrasión (DIN 52347 e ISO 3537) Se
evalúa la dispersión de la luz que impacta directamente
la superficie.
El aumento de la dispersión de la luz en el vidrio
flotado es de aprox. 1% (después de 1 000 ciclos de
abrasión). El aumento de la dispersión de la luz
permitida para el vidrio de seguridad del vehículo
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(parabrisas) es de 2% en Europa (ECE R43) y EE.UU.
(ANSI Z 26.1) .
Proceso de goteo de arena (DIN 52348 e ISO 7991).
Para esta prueba la abrasión por impacto diagonal, se
hicieron gotear 3 kg de arena con un tamaño de partícula
0,5/0,71mm sobre la superficie a ensayar, con una
inclinación de 45 y, desde una altura de 1600 mm. La
medición del desgaste es la densidad luminosa reducida
(según la norma DIN 4646 parte 2).
La densidad luminosa reducida para el vidrio flotado es
de aprox. 4cd/m2lux.
La dureza al rayado de vidrio flotado es de aprox. 0,12N
El ensayo se diseñó originalmente para determinar la
dureza al rayado de los plásticos. Una punta de
diamante con ángulo 50 y 15 mm de radio, se dibuja
sobre la superficie del vidrio mediante la aplicación de
diferentes cargas. La carga a la cual se produce un
rasguño en la superficie, es una medida de la dureza al
rayado. Esto no es un método preciso, debemos tener
en cuenta la influencia del probador.
2.4.4 Aplicaciones y utilizaciones del vidrio
Existe una aleación de acero, el durirón, que contiene un 15% de silicio y es
dura,frágil y resistente a la corrosión; el durirón se usa en los equipos industriales
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILque están en contacto con productos químicos corrosivos. El silicio se utiliza también
en las aleaciones de cobre, como el bronce y el latón.
El silicio es un semiconductor; su resistividad a la corriente eléctrica a temperatura
ambiente varía entre la de los metales y la de los aislantes. La conductividad del
silicio se puede controlar añadiendo pequeñas cantidades de impurezas llamadas
dopantes. La capacidad de controlar las propiedades eléctricas del silicio y su
abundancia en la naturaleza han posibilitado el desarrollo y aplicación de los
transistores y circuitos integrados que se utilizan en la industria electrónica.
La sílice y los silicatos se utilizan en la fabricación de vidrio, barnices, esmaltes,
cemento y porcelana, y tienen importantes aplicaciones individuales. La sílice
fundida, que es un vidrio que se obtiene fundiendo cuarzo o hidrolizando tetracloruro
de silicio, se caracteriza por un bajo coeficiente de dilatación y una alta resistencia a
la mayoría de los productos químicos.
El gel de sílice es una sustancia incolora, porosa y amorfa; se prepara eliminando
parte del agua de un precipitado gelatinoso de ácido silícico, SiO2·H2O, el cual se
obtiene añadiendo ácido clorhídrico a una disolución de silicato de sodio. El gel de
sílice absorbe agua y otras sustancias y se usa como agente desecante y
decolorante.
El silicato de sodio (Na2SiO3), también llamado vidrio, es un silicato sintético
importante, sólido amorfo, incoloro y soluble en agua, que funde a 1.088 °C. Se
obtiene haciendo reaccionar sílice (arena) y carbonato de sodio a alta temperatura, o
calentando arena con hidróxido de sodio concentrado a alta presión.
La disolución acuosa de silicato de sodio se utiliza para conservar huevos; como
sustituto de la cola o pegamento para hacer cajas y otros contenedores; para unir
gemas artificiales; como agente incombustible, y como relleno y adherente en
jabones y limpiadores. Otro compuesto de silicio importante es el carborundo, un
compuesto de silicio y carbono que se utiliza como abrasivo.
Métodos de conformado de vidrio:
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILLos productos de vidrio se fabrican primeramente calentando el vidrio a una
temperatura alta para producir un líquido viscoso que seguidamente se moldea,
contorna o lamina en la forma deseada.
Conformado de vidrio en hojas y láminas.
Aproximadamente el 85 % del vidrio plano producido en países como Estados
Unidos está fabricado mediante procesos de flotado en el cual una tira de vidrio
sale del horno de fusión y flota sobre la superficie de un baño de estaño
fundido y bajo una atmósfera controlada químicamente.
Cuando su superficie está suficientemente dura, la lámina de vidrio se saca del
horno sin
ser marcado mediante rodillos y pasa a través de un largo horno de recocido
llamado “lehr” donde se eliminan las tensiones residuales.
Aplicación del vidrio.
Algunos productos, como artículos huecos
(botellas, jarras, y envolturas de tubos
luminosos) se fabrican soplando aire para
ajustar el vidrio fundido dentro de los
moldes.
Etapas de producción de botellas.
a) calentamiento del vidrio.
b) soplado de aire de tal forma que el vidrio alcance las paredes del molde en forma
constante.
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Materias primas.
La mayoría de las materias primas para la producción del vidrio se encuentran
disponibles en el mundo en abundancia; arena de silica pura, piedra caliza,
cenizas de soda, y por supuesto, el cullet. Los materiales son almacenados en
el depósito en compartimientos o silos que los mantienen secos y limpios.
Estos materiales son entonces llevados al área para pesar y mezclar, y luego
vertidos en tanques que, a su vez, alimentan los hornos.
La fundición de las materias primas para la producción de vidrio requiere de un
monitoreo y una supervisión constante además de sofisticados sistemas de
control computarizados. Dependiendo de su tamaño, los hornos tienen la
capacidad de producir de 50 a 600 toneladas de vidrio por día. La mayoría de
los hornos utilizan gas natural en sus mecheros laterales y la temperatura de
fundición es de 2200-2400 grados Fahrenheit o 1200-1300 grados Celsius. El
vidrio derretido fluye fuera del horno a través de tuberías hacia la máquina
moldeadora.
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Vidrio templado.
Este tratamiento de “templado” aumenta la
resistencia del vidrio porque las fuerzas
de tensión aplicadas deben de sobrepasar
las fuerzas de compresión de la
superficie antes de que se produzca la
fractura. El vidrio templado tiene una
mayor resistencia a los impactos que el vidrio recocido y es alrededor de cuatro
veces más fuerte. Las ventanas de los automóviles y el vidrio de seguridad
para las puertas son artículos que han sido templados térmicamente.
Aplicaciones habituales.
La gran resistencia del vidrio templado a los esfuerzos mecánicos y sus
consiguientes posibilidades estructurales lo convirtieron en protagonista
infaltable de frentes de locales comerciales en los últimos 40 años.
También su condición de vidrio de seguridad para áreas susceptibles de
impacto humano ha permitido el desarrollo de sistemas de cerramiento y
mamparas de baño. Para estos usos es posible templar vidrios translúcidos.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILSu gran resistencia a los cambios bruscos de temperatura permite su uso en
lugares con exposición a altas temperaturas, como visores y tapas de hornos.
En la actualidad, el desarrollo apunta hacia los sistemas de fijación puntual
(tipo “Planar”), donde el vidrio es tomado a través de perforaciones realizadas
en sus esquinas por rótulas o “arañas” (spiders) metálicos que, a su vez, se
fijan a columnas estructurales o costillas de vidrio templado ubicadas por
detrás.
Vidrio termo endurecido.
Se trata de un proceso similar al de temple, pero con un enfriamiento menos a
menor presión. El resultado es un vidrio menos resistente que el templado
(aproximadamente la mitad, pero el doble de resistente que un vidrio sin tratar),
pero que presenta un patrón de rotura mucho más grande y menor nivel de
deformación. Su uso es muy recomendado en paños que estén expuestos muy
directamente a la radiación solar, sobre todo si son coloreados en su masa o
reflectivos.
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Vidrio templado laminado
Vidrio de protección
Se denomina así aquel tipo de vidrio que en caso de rotura accidental o
intencional es difícil de traspasar o atravesar.
Laminado es considerado el vidrio de seguridad y protección por excelencia.
Brinda seguridad a las personas y protección a bienes materiales ante intentos
de robo y vandalismo, impidiendo el ingreso fácil a una propiedad por rotura de
vidrios en puertas o ventanas.Su aplicación es obligatoria en techos vidriados.
Compuesto por dos hojas de vidrio íntimamente unidas entre sí mediante la
interposición de una o más láminas de polivinil de butiral (PVB), aplicadas con
calor y presión en un autoclave. Para satisfacer requerimientos de control solar
puede estar compuesto por cualquier tipo de vidrio, incoloro, de color y/o
reflectivo.El vidrio laminado es utilizado también por su aptitud para el control
acústico, resguardo de temperatura y filtro ultravioleta.
El vidrio templado y posteriormente laminado con PVB o resinas, resulta un
producto con altísima resistencia al impacto, a los esfuerzos de flexión y a las
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILsolicitaciones de origen térmico. En general se utiliza vidrio termoendurecido,
ya que por su bajo nivel de ondulaciones se lamina más fácilmente, y su patrón
de rotura más grande le da mayor adherencia al PVB. Su uso es muy difundido
en techos y balaustradas de vidrio estructural empotrado.
Vidrio Esmaltado.
Antes de someterlo al proceso de templado, el vidrio puede ser tratado con
esmaltes cerámicos vitrificables, que luego de dicho proceso quedarán
incorporados definitivamente a la masa del cristal. Según como se realice este
tratamiento, el producto final puede ser:
Vidrio templado opaco Una de las caras del vidrio está completamente
revestida con esmalte, dando como resultado un cristal opaco del color del
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILmismo, utilizado como revestimiento. Es muy común su utilización como
revestimiento de antepechos en sistemas de muro cortina o piel de vidrio,
debido a que la cercanía de una viga de hormigón o muro impide la disipación
de calor, sobrecargando la temperatura del paño.
Vidrio serigrafiado: Una de las caras del vidrio se le aplica, por estampado
serigráfico, un motivo a uno o varios colores. este motivo puede ser un diseño
repetitivo o una trama de puntos o líneas, que además de dar al vidrio una
imagen estética única, permiten controlar la incidencia de la luz solar y la
privacidad. También pueden estamparse motivos unitarios, letras, logotipos,etc.
Doble Vidriado Hermético
Como cualquier otro tipo de vidrio plano, el templado puede ser utilizado en
compuestos con cámara de aire. Es muy común su utilización como cara
exterior de DVH para techos, por su alta resistencia al impacto, combinado con
un vidrio laminado como cara interior.
También en los sistemas de fijación puntual (Planar) pueden colocarse paneles
de DVH con ambas caras templadas. En esos casos se utilizan separadores
especialmente diseñados para garantizar el espesor de la cámara y la
estanqueidad en los agujeros.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
Vidrio reforzado químicamente
La resistencia de un vidrio puede incrementarse mediante tratamientos
químicos especiales. Por ejemplo, si un vidrio de alumino-silicatos de sodio se
sumerge en un baño de nitrato de potasio a una temperatura de
aproximadamente 50 °C por debajo de su punto de ten sión (~ 500 °C) durante
6 a 10 horas los iones más pequeños, de sodio, junto a la superficie del vidrio
son reemplazados por iones potasio más grandes. La introducción de los iones
potasio mas grandes en la superficie del vidrio produce fuerzas compresivas en
la superficie y las correspondientes fuerzas de tensión en su centro. Este
proceso de templado químico puede ser usado en las secciones transversales
mas delgadas que puedan templarse térmicamente ya que la capa compresiva
es muy fina, el vidrio templado químicamente reforzado se usa para aeronaves
supersónicas distribución de las fuerzas residuales a través de las secciones de
vidrio templado térmicamente y químicamente reforzado.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL1 Usos del vidrio
Se hace un moldeado del vidrio para darle formas variadas, según su aplicación:
Vidrio plano
Este vidrio plano producido en grandes planchas (de hasta 6 m x 3,5 m), en
espesores que van desde 2 mm hasta 25 mm, es a su vez materia prima para
diferentes manufacturas:
Vidrios de acristalamiento.
En construcciones: acristalamientos sencillos, vidrio aislante y vidrios con
tratamientos de superficie para darles diferentes capacidades de absorción y
reflexión de la luz. Todos ellos, a su vez, pueden ser templados, con lo que se
aumenta su resistencia mecánica, o superpuestos en diferentes capas mediante
polímeros adecuados (vidrio laminado). A estos dos últimos se les denomina como
vidrios de seguridad debido a sus propiedades.
Vidrios para acristalamiento de vehículos.
Vidrio decorativo (mesas, espejos, etc.).
Vidrio hueco: se denomina así al vidrio moldeado con formas tales que permiten
contener
productos. Estas formas se suelen clasificar en:
.Botellas
.Tarros
.Frascos
.Otras aplicaciones artísticas o decorativas.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL2.5 Materiales metálicos
Podemos encontrar como materiales
metálicos los metales y sus aleaciones,
como también sustancias inorgánicas
que están constituidas por uno o más
elementos metálicos; por ejemplo:
hierro cobre, aluminio, níquel y titanio.
Obtención de los metales
Los metales son materiales que se
obtienen a partir de minerales que forman parte de las rocas.
La extracción del mineral se realiza en minas a cielo abierto, si la capa de mineral se
halla a poca profundidad, por el contrario si es profundo recibe el nombre de mina
subterránea.
En ambos tipos de explotaciones se hace uso de explosivos, excavador, taladrador y
otra maquinaria, a fin de arrancar el mineral de la roca.
Técnicas de separación
Tamizado. Consiste en la separación de las partículas sólidas según su tamaño
mediante tamices.
Filtración. Es la separación de partículas sólidas en suspensión en un líquido a
través de un filtro.
Flotación. Se trata de la separación de una mezcla de partículas sólidas de un
líquido.
Tipos de metales
Metales ferrosos. Son aquellos cuyo componente principal es el hierro.
Metales no ferrosos. Son materiales metálicos que no contienen hierro o que lo
contienen en muy pequeñas cantidades.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL2.5.1 Generalidades: metalurgia y siderurgia
La metalurgia.
Es la técnica de la obtención y tratamiento de
los metales desde minerales metálicos hasta los no
metálicos. También estudia la producción
de aleaciones, el control de calidad de los procesos vinculados así como su control
contra la corrosión. Además de relacionarse con la industria metalúrgica.
Metalurgia extractiva
Área de la metalurgia en donde se estudian y aplican operaciones y procesos para el
tratamiento de minerales o materiales que contengan una especie útil
(oro, plata, cobre, etc.), dependiendo el producto que se quiera obtener, se
realizarán distintos métodos de tratamiento.
Objetivos de la metalurgia extractiva
Utilizar procesos y operaciones simples; alcanzar la mayor eficiencia posible;
Obtener altas recuperaciones (especie de valor en productos de máxima pureza); No
causar daño al medio ambiente.
La Siderurgia.
Se denomina siderurgia (del griego, síderos,
"hierro") a la técnica del tratamiento
del mineral de hierro para obtener diferentes tipos de
éste o de sus aleaciones. El proceso de
transformación del mineral de hierro comienza desde
su extracción en las minas. El hierro se encuentra
presente en la naturaleza en forma
de óxidos, hidróxidos, carbonatos, silicatos y sulfuros. Los más utilizados por la
siderurgia son los óxidos, hidróxidos y carbonatos. Los procesos básicos de
transformación son los siguientes: Óxidos -> hematita (Fe2O3) y
la magnetita (Fe304)
Hidróxidos -> Limonita
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILCarbonatos -> Siderita o carbonato de hierro (FeCO3)
Estos minerales se encuentran combinados en rocas, las cuales contienen
elementos indeseados denominados gangas. Parte de la ganga puede ser separada
del mineral de hierro antes de su envío a la siderurgia, existiendo principalmente dos
métodos de separación:
Imantación: consiste en hacer pasar las rocas por un cilindro imantado de modo
que aquellas que contengan mineral de hierro se adhieran al cilindro y caigan
separadas de las otras rocas, que precipitan en un sector aparte. El inconveniente
de este proceso reside en que la mayoría de las reservas de minerales de hierro se
encuentra en forma de hematita, la cual no es magnética.
Separación por densidad: se sumergen todas las rocas en agua, la cual tiene una
densidad intermedia entre la ganga y el mineral de hierro. El inconveniente de este
método es que el mineral se humedece siendo esto perjudicial en el proceso
siderúrgico.
2.5.2 Propiedades Metálicas
La gran cantidad de aplicaciones que presentan los metales se debe a sus notarias
propiedades, principalmente las mecánicas, térmicas y eléctricas.
Propiedades físicas
Las propiedades físicas se ponen de manifiesto ante estímulos como la aplicación
de fuerzas, la electricidad, calor o la luz.
Propiedades mecánicas
Son las relativas a la aplicación de fuerzas.
Dureza: los metales son duros no se rayan ni pueden perforarse fácilmente; además
resisten los esfuerzos a los que son sometidos.
Plasticidad y elasticidad: algunos metales se deforman permanentemente cuando
actúan sobre ellos fuerzas externas. Otros muestran un fuerte carácter elástico y son
capaces de recuperar su forma original
Tras la aplicación de una fuerza externa.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILMaleabilidad: ciertos metales pueden ser extendidos en láminas muy finas si llegar
a romperse.
Tenacidad: muchos metales presentan una gran resistencia a romperse cuando son
golpeados.
Ductilidad: algunos metales pueden ser estirados en hilos largos y finos.
Propiedades térmicas
Las propiedades térmicas son las relativas a la aplicación del calor.
Conductividad eléctrica: todos los metales presentan una gran conductividad
térmica.
Fusibilidad: los metales tienen la propiedad de fundirse, aunque cada metal lo hace
a temperatura diferente.
Dilatación y contracción: los metales se dilatan cuando aumenta la temperatura se
contraen si disminuye la temperatura.
Soldabilidad: muchos metales pueden soldarse con facilidad a otras piezas del
mismo metal o de otro diferente.
Propiedades eléctricas y magnéticas
Los metales permiten el paso de la corriente eléctrica con facilidad; son, por tanto
buenos conductores de la electricidad.
Algunos metales presentan un característico comportamiento magnético, que
consiste en su capacidad de atraer a otros metales.
Propiedades químicas
La propiedad química más importante de los metales es su elevada capacidad de
oxidación, que consiste en su facilidad para reaccionar con el oxígeno y cubrirse de
una capa de
Óxido al poco tiempo de estar a la intemperie.
Propiedades ecológicas
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl impacto medioambiental de los materiales tecnológicos puede llegar a ser muy
grave; aunque la mayoría de ellos son reciclables.
Propiedades generales:
Sus propiedades dependen de la naturaleza de sus componentes y la técnica
seguida a su producción.
En general las propiedades de las aleaciones no son intermedias entre la de sus
componentes:
- La densidad es prácticamente la única propiedad intermedia.
- El color
- La resistencia eléctrica de una aleación de los metales que la constituyen incluso
pequeñas de una impureza hacen que su resistencia aumente bastante.
Minerales de hierro
Los minerales del hierro son:
-Oligisto
-Limonita
Proceso siderúrgico (Obtención del arrabio)
Los hornos en los se obtiene el arrabio son de tipo vertical.
El mineral de hierro, una vez desprovisto de ganga y tostado se somete a un ofibado
donde se seleccionan los trozos del tamaño adecuado. Los trozos muy grandes se
trituran y los que son muy pequeños se aglomeran , formando pedazos de tamaño
medio y así se aprovecha mejor el mineral evitando perdida.
El carbón de coque utilizado como agente reductor y calefactor tiene que ser de
buena calidad con poca humedad, reducido el contenido en cenizas y azufre, es
suficiente resistencia al aplastamiento, el tamaño de sus trozos tiene que ser entre 4
y 8 cm.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl fundente tiene que ser de naturaleza acida, cuando es
básica la ganga del mineral y si ésta es acida el fundente debe
de ser básico.
Como fundente básico se utiliza caliza, y como fundente ácido
el silicio.
Proceso químico. En el alto horno, a alta temperatura se realiza
la reducción de les minerales de hierro en forma de óxidos, se representa
esquemáticamente así:
FeO + C --} CO + FE
El carbono reacciona con el oxígeno para formar monóxido de carbono, fase que
recibe el nombre de reducción directa. Esta reacción tiene lugar a otra.
FeO + CO --} CO2 + Fe
En esta fase denominada reducción indirecta el monóxido de carbono actúa como
reductor pasando a bióxido de carbono.
La última fase es que el hierro en estado líquido obtenido según las reacciones
anteriores, dióxido de carbono en una proporción aproximada del 7 % formando el
arrabio.
2.5.3. Procesos generales metalúrgicos
Concentración del mineral: Consiste en separar de éste la mayor cantidad posible
de ganga mediante distintos métodos.
Levigación: Se utiliza la mena y la ganga tienen muy diferente densidad. El mineral
es sometido a una corriente de agua que arrastra a las partes menos pesadas, y las
más pesadas (mena) van al fondo.
Separación magnética: Se utiliza cuando la mena presenta propiedades
magnéticas (hierro).El mineral se pasa por una cinta en la cual hay un electroimán,
la ganga cae al suelo y la mena queda pegada a la cinta.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILFlotación: Procedimiento que se utiliza cuando la mena no es mojada por agua pero
si por el aceite, el mineral finalmente triturado se mete en un depósito con agua
agitando la mezcla, la mena flota y la ganga se hunde.
Tostación o calcinación: Tiene por objeto transformar el mineral en oxido para
después proceder a su reducción.
Tostación: se realiza cuando el metal es un sulfuro.
Calcinación: se realiza cuando el metal es un carbono o un hidróxido.
Reducción: Una vez está el mineral en forma de óxido, la reducción tiene por objeto
separar el metal, en estado libre, los óxidos correspondientes a los metales de
pequeño potencial de oxidación, se reduce mediante carbón, hidrógeno o otro metal.
Los óxidos de los alcalinos, de aluminio, tienen potencial de oxidación muy elevada,
son difícilmente reducibles por lo que se emplea la vía electrónica partiendo sus
sales.
Afino: Proceso destinado a eliminar las impurezas de los metales y purificarlos del
todo.
Siderúrgica (preparación, generalidades, característica del hierro contenido).
Los hornos en los se obtiene el arrabio son de tipo vertical.
El mineral de hierro, una vez desprovisto de ganga y tostado se somete a un afinado
donde se seleccionan los trozos del tamaño adecuado. Los trozos muy grandes se
trituran y los que son muy pequeños se aglomeran, formando pedazos de tamaño
medio y así se aprovecha mejor el mineral evitando perdida.
El carbón de coque utilizado como agente reductor y calefactor tiene que ser de
buena calidad con poca humedad, reducido el contenido en cenizas y azufre, es
suficiente resistencia al aplastamiento, el tamaño de sus trozos tiene que ser entre 4
y 8 cm.
Proceso químico
FeO + C --} CO + FE
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl carbono reacciona con el oxígeno para formar monóxido de carbono, fase que
recibe el nombre de reducción directa. Esta reacción tiene lugar a otra.
FeO + CO --} CO2 + Fe
En esta fase denominada reducción indirecta el monóxido de carbono actúa como
reductor pasando a bióxido de carbono.
La última fase es que el hierro en estado líquido obtenido según las reacciones
anteriores, dióxido de carbono en una proporción aproximada del 7 % formando el
arrabio.
Fases del proceso siderúrgico (breve descripción de cada una)
Tratamiento del mineral por un disolvente de extracción.
Extracción: cuando se coge el cobre
Retracción: se vuelve a coger el cobre
Cobre puro: cuando ya se obtiene el cobre
Tratamiento del mineral (agitación)
Filtración: cuando se pasa el oro por un filtro
Clasificación: cuando se aclara el oro.
Des aeración y filtración
Calcinación: cuando se quema el oro.
Colada del lingote y del oro cuando se obtiene el lingote y el oro.
Forja
Para otros usos de este término, véase Forja (desambiguación).
La forja, al igual que la laminación y la extrusión, es un proceso de conformado por
deformación plástica que puede realizarse en caliente o en frío y en el que la
deformación del material se produce por la aplicación de fuerzas de compresión.
Este proceso de fabricación se utiliza para dar una forma y unas propiedades
determinadas a los metales y aleaciones a los que se aplica mediante grandes
presiones. La deformación se puede realizar de dos formas diferentes: por presión,
de forma continua utilizando prensas, o por impacto, de modo intermitente utilizando
martillos pilones.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILLos principales tipos de forja que existen son:
Forja libre
Forja con estampa
Recalcado
Forjado isotérmico
Forja libre
Es el tipo de forja industrial más antiguo y se caracteriza porque la deformación del
metal no está limitada (es libre) por su forma o masa. Se utiliza para fabricar piezas
únicas o pequeños lotes de piezas, donde normalmente éstas son de gran tamaño.
Además este tipo de forja sirve como preparación de las preformas a utilizar en
forjas por estampa.
También puede encontrarse como forja en dados abiertos.
Forja con estampa
Antes y después de aplicar el proceso de forja con
estampa
Este tipo de forja consiste en colocar la pieza entre
dos matrices que al cerrarse conforman una cavidad
con la forma y dimensiones que se desean obtener
para la pieza. A medida que avanza el proceso, ya sea empleando martillos o
prensas, el material se va deformando y adaptando a las matrices hasta que
adquiere la geometría deseada. Este proceso debe realizarse con un cordón de
rebaba que sirve para aportar la presión necesaria al llenar las zonas finales de la
pieza, especialmente si los radios de acuerdo de las pieza son de pequeño tamaño y
puede estar sin rebaba, dependiendo de si las matrices llevan incorporada una zona
de desahogo para alojar el material sobrante (rebaba) o no. Se utiliza para fabricar
grandes series de piezas cuyas dimensiones y geometrías pueden variar
ampliamente.
En efecto así se presentan estos forjados.
Forjado isotérmico
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILArtículo principal: Forjado isotérmico
El forjado isotérmico es un tipo especial de forja en la cual la temperatura de los
troqueles es significativamente superior a la utilizada en procesos de forja
convencional.
Efectos que produce la forja en caliente y el forjado isotérmico
Orientación de la fibra: Las propiedades mecánicas del producto variarán,
mejorándolas si el esfuerzo se aplica en la dirección de la fibra formada por el
proceso y empeorándolas si se aplica en dirección perpendicular.
Afinamiento del grano: Esto se produce a temperaturas superiores a la de
recristalización pero inferiores a la de equicohesión y la forja se realiza con martillos
pilones, de modo intermitente. En cambio, el afinamiento no se producirá si se
supera la temperatura de equicohesión y la forja se realiza utilizando prensas, de
forma continua.
Forja artesanal
En este caso, la forja es el arte y el lugar de trabajo del forjador o herrero, cuyo
trabajo consiste en dar forma al metal por medio del fuego y del martillo.
Un herrero trabajando una pieza de metal al
rojo sobre un yunque.
Una forja contiene básicamente una fragua
para calentar los metales (normalmente
compuestos de hierro), un yunque y un
recipiente en el cual se pueden enfriar
rápidamente las piezas forjadas para
templarlas. Las herramientas incluyen tenazas para sostener el metal caliente y
martillos para golpearlo.
En la forja se modela el metal por deformación plástica y es diferente de otros
trabajos del metal en los que se elimina parte del material mediante brocas,
fresadoras, torno, etc., y de otros procesos por los que se da forma al metal fundido
vertiéndolo dentro de un molde (fundición).
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILAl tratarse de un oficio casi en extinción, hay muy pocos artistas forjadores que
realmente utilizan el hierro de forma artesanal.
Materiales a los que se aplica
Este proceso puede aplicarse a:
Metales puros: aluminio, cobre, titanio y zinc.
Aleaciones: acero, de aluminio, de cobre, de magnesio y bronces.
Aplicaciones
La forja tiene multitud de aplicaciones en distintos campos, algunas de ellas son las
siguientes:
Bielas, cigüeñales, ejes, rejas, barandillas, cabezas de tornillos, de pernos,
remaches, clavos, etc.
Laminación
Esquema del proceso de laminación.
Se conoce como laminación o laminado al proceso industrial por medio del cual se
reduce el espesor de una lámina de metal o de materiales semejantes con la
aplicación de presión mediante el uso de distintos procesos, como la laminación de
anillos o el laminado de perfiles. Por tanto, este proceso se aplica sobre materiales
con un buen nivel de maleabilidad. La máquina que realiza este proceso se le
conoce como laminador.
2.6 El acero y sus alcances
El acero es una aleación de hierro y carbono, donde
el carbono no supera el 3.5% que le otorga mayor
resistencia y pureza, alcanzando normalmente
porcentajes entre el0.2% y el 0.3% para aceros de
bajo carbono, que son los utilizados para las
construcciones. Porcentajes mayores al 3.5% de
carbono dan lugar a las fundiciones, aleaciones que al ser frágiles y no poderse
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILforjar, se moldean. Algunas veces otros elementos de aleación específicos tales
como el Cr (Cromo) o Ni (Níquel) se agregan con propósitos determinados.
Dado el caso de que los materiales más usados en la construcción no se encuentran
en la naturaleza en estado puro, por lo que para su empleo hay que someterlos a
una serie de operaciones metalúrgicas cuyo fin es separar el metal de las impurezas
u otros minerales que lo acompañen.
El acero, como material indispensable de refuerzo en las construcciones, es una
aleación de hierro y carbono, en proporciones variables, y pueden llegar hasta el 2%
de carbono, con el fin de mejorar algunas de sus propiedades, puede contener
también otros elementos. Una de sus características es admitir el temple, con lo que
aumenta su dureza y su flexibilidad.
En las décadas recientes, los ingenieros y arquitectos han estado pidiendo
continuamente aceros cada vez más sofisticados, con propiedades de resistencia a
la corrosión, aceros más soldables y otros requisitos. La investigación llevada a cabo
por la industria del acero durante este periodo ha conducido a la obtención de
varios grupos de nuevos aceros que satisfacen muchos de los requisitos y existe
ahora una amplia variedad cubierta gracias a las normas y especificaciones
actuales.
El acero ha jugado un papel relevante en el desarrollo tecnológico de la humanidad:
desde los hititas que aprendieron a fundir el hierro para fabricar armas más duras y
resistentes, hasta los modernos arquitectos e ingenieros que construyen edificios
más esbeltos o vehículos más seguros.
El objetivo de esta actividad es conocer el proceso siderúrgico y las características
que los productos que se obtienen.
No se debe confundir el hierro con el acero, dado que el hierro es un metal en
estado puro al que se le mejoran sus propiedades físico-químicas con la adición de
carbono y demás elementos.
La gran variedad de aceros llevó a Siemens a definirlo como un compuesto de hierro
y otra sustancia que incrementa su resistencia.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILPor la variedad y disponibilidad de los elementos primordiales que abundan en la
naturaleza ayudan facilitando de su producción en cantidades industriales, los
aceros son las aleaciones más utilizadas en la construcción de maquinarias,
herramientas, edificios y obras públicas, habiendo contribuido al alto nivel de
desarrollo tecnológico de las sociedades industriales.
El acero
El acero es una aleación (=una mezcla con base atómica) del elemento hierro con
otros elementos que pueden ser tanto metálicos como no-metálicos. Elementos no-
metálicos que se utilizan normalmente en los aceros son, entre otros, carbono y
silicio. Por otro lado, manganeso y cromo son elementos metálicos que también son
usualmente utilizados. El elemento de aleación más importante para el acero es el
carbono. Dependiendo de la cantidad y el tipo de los elementos de aleación de un
acero se pueden obtener o resaltar características deseables y evitar aquellos que
sean indeseables en ciertas aplicaciones.
Originariamente se utilizó la templabilidad como característica esencial para el
término acero. Hoy en día este criterio no se utiliza más en ese sentido y se
denominan como aceros a todos aquellos materiales de hierro, cuya parte de masa
de hierro sea mayor que la de todos los otros elementos. Con la excepción de los
aceros ricos en cromo, el acero contiene hasta un máximo de aproximadamente 2%
en peso de carbono. Aceros con mayor contenido de carbono son designados como
hierro fundido.
El acero es un material muy versátil y adaptable lo cual se demuestra sobre todo en
su relativa facilidad de conformación tanto en caliente como en frío, su idoneidad
para ser usados en aplicaciones donde se requiera soldadura, la posibilidad de ser
maquinados mediante diferentes métodos, su buena resistencia a la corrosión, la
posibilidad de crear piezas directamente desde la fundición, su resistencia térmica e
incluso sus buenas propiedades mecánicas a altas temperaturas. Las propiedades
de los aceros pueden ser, además, adaptadas a las exigencias de un componente
mediante la adición de elementos de aleación y por su subsecuente procesamiento.
Estas características convierten al acero en uno de los materiales más importantes,
variables y adaptables. Por estas razones el acero se mantiene en el centro del
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILinterés tanto científico como tecnológico y seguramente seguirá jugando un papel
muy importante en el futuro.
Tipos de acero
Los aceros se clasifican en cinco grupos principales:
Aceros Corten
Aceros galvanizados
Aceros laminados
Aceros estirado en frio
Aceros negros
Aceros al carbono
Aceros aleados
Aceros de baja aleación ultra resistente
Aceros inoxidables
Aceros de herramientas.
Acero Corten: El Acero Corten es un Acero común al
que no le afecta la corrosión
. Es una aleación de Acero con níquel, cromo, cobre y
fósforo que, tras un proceso de humectación y
secado alternativos forma una delgadísima película de óxido de apariencia rojizo-
púrpura.
Aplicaciones: Se utiliza en la Industria cementera, silos, tolvas, cribadoras,
chimeneas, tuberías, lavaderos de carbón, depósitos de agua, petróleo, fuel-oil, etc.
Construcciones metálicas, puentes, estructuras, fachadas de edificios, puertas
metálicas, hormigoneras, grúas, palas excavadoras. Vagones ferrocarril, chasis de
camiones, basculantes, cisternas, semirremolques.
Acero Galvanizado: El Acero Galvanizado por inmersión en caliente es un producto
que combina las características de resistencia mecánica del Acero y la resistencia a
la corrosión generada por el Cinc.
Propiedades del Acero Galvanizado:
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Resistencia a la abrasión
Resistencia a la corrosión
Aplicaciones: El acero galvanizado se utiliza para la Edificación, Instalaciones
Industriales, Grandes Estructuras, Automoción, Armaduras galvanizadas para
hormigón, Agricultura y Ganadería, Equipamientos de Carreteras, Elementos de
unión, Mobiliario Urbano, estructuras para el deporte y tiempo libre, Electricidad y
comunicaciones, Transporte.
Acero Laminado: una barra de acero sometida atracción, con los esfuerzos se
deforma aumentando su longitud. Si se quita la tensión, la
barra de acero recupera su posición inicial y su longitud
primera, sin sufrir deformaciones remanentes.
Todo esto dentro de ciertos márgenes, es decir dentro de
cierto límite al que de nominamos Límite Elástico.
Aceros al carbono: El acero al carbono, constituye el
principal producto delos aceros que se producen,
estimando que un 90% dela producción total producida
mundialmente corresponde a aceros al carbono. Estos
aceros son también conocidos como aceros de
construcción, La composición química de los aceros al carbono es compleja,
además del hierro y el carbono que generalmente no supera el 1%, hay en la
aleación otros elementos necesarios para su producción, tales como silicio y
manganeso. El aumento del contenido de carbono en el acero eleva su resistencia a
la tracción, incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que disminuya la
tenacidad y la ductilidad.
Aceros aleados:
Estos aceros están compuestos por una proporción
determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos;
además de cantidades mayores de manganeso, silicio y
cobre que los aceros al carbono. Estos aceros se emplean
para fabricar engranajes, ejes, cuchillos, etc.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILAceros de baja aleación ultra resistentes:
Es la familia de aceros más reciente de las cinco. Estos
aceros son más baratos que los aceros convencionales
debido a que contienen menor cantidad de materiales
costosos de aleación. Sin embargo, se les da un
tratamiento especial que hace que su resistencia sea mucho mayor que la del acero
al carbono. Este material se emplea para la fabricación de vagones porque al ser
más resistente, sus paredes son más delgadas, con lo que la capacidad de carga es
mayor. Además, al pesar menos, también se pueden cargar con un mayor peso.
También se emplea para la fabricación de estructuras de edificios.
Aceros inoxidables: Estos aceros contienen cromo, níquel, y
otros elementos de aleación que los mantiene brillantes y
resistentes a la oxidación. Algunos aceros inoxidables son
muy duros y otros muy resistentes, manteniendo esa
resistencia durante mucho tiempo a temperaturas extremas.
Debido a su brillo, los arquitectos lo emplean mucho con fines decorativos. También
se emplean mucho para tuberías, depósitos de petróleo y productos químicos por su
resistencia a la oxidación y para la fabricación de instrumentos quirúrgicos o
sustitución de huesos porque resiste a la acción de los fluidos corporales. Además
se usa para la fabricación de útiles de cocina, como pucheros, gracias a que no
oscurece alimentos y es fácil de limpiar.
Aceros de herramientas:
Estos aceros se emplean para fabricar herramientas y
cabezales de corte y modelado de máquinas. Contiene
wolframio, molibdeno y otros elementos de aleación que le
proporcionan una alta resistencia, dureza y durabilidad.
Según su Clasificación
Según el modo de fabricación
acero eléctrico
acero fundido
acero calmado
acero efervescente
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL acero fritado
Según el modo de trabajarlo
acero moldeado
Según la composición y la estructura
aceros ordinarios
aceros aleados o especiales
Según los usos
acero para imanes o magnético
acero autotemplado
acero de construcción
acero de corte rápido
acero de decoletado
acero indeformable
acero inoxidable
acero para muelles
acero refractario
acero de rodamientos.
Tratamientos del acero
Tratamientos superficiales
Debido a la facilidad que tiene el acero para oxidarse cuando entra en contacto con
la atmósfera o con el agua, es necesario y conveniente proteger la superficie de los
componentes de acero para protegerles de la oxidación y corrosión. Muchos
tratamientos superficiales están muy relacionados con aspectos embellecedores y
decorativos de los metales.
Los tratamientos superficiales más usados son los siguientes:
Cincado : tratamiento superficial antioxidante por proceso electrolítico o mecánico
al que se somete a diferentes componentes metálicos.
Cromado : recubrimiento superficial para proteger de la oxidación y embellecer.
Galvanizado : tratamiento superficial que se da a la chapa de acero.
Niquelado : baño de níquel con el que se protege un metal de la oxidación.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Pavonado : tratamiento superficial que se da a piezas pequeñas de acero, como
la tornillería.
Pintura : usado especialmente en estructuras, automóviles, barcos, etc.
Tratamientos térmicos
Un proceso de tratamiento térmico adecuado permite aumentar significativamente
las propiedades mecánicas de dureza, tenacidad y resistencia mecánica del acero.
Los tratamientos térmicos cambian la microestructura del material, con lo que las
propiedades macroscópicas del acero también son alteradas.
Los tratamientos térmicos que pueden aplicarse al acero sin cambiar en su
composición química son:
Templado.
Revenido.
Recocido.
Normalizado
Tratamientos termoquímicos
Son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales. Entre los objetivos más comunes de estos tratamientos están aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el núcleo más blando y tenaz, disminuir el rozamiento
aumentando el poder lubrificante, aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosión.
Cementación (C): aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce,
aumentando la concentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo
en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y
enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona
periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran
dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Nitruración (N): al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial,
aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de
la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas
comprendidas entre 400 y 525 °C, dentro de una corriente de gas amoníaco, más
nitrógeno.
Cianuración (C+N): endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se
utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas
entre 760 y 950 °C.
Carbonitruración (C+N): al igual que la cianuración, introduce carbono y
nitrógeno en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o
propano; amoníaco (NH3) y monóxido de carbono (CO). En el proceso se
requieren temperaturas de 650 a 850 °C y es necesario realizar un temple y un
revenido posterior.
Sulfinización (S+N+C): aumenta la resistencia al desgaste por acción del azufre.
El azufre se incorporó al metal por calentamiento a baja temperatura (565 °C) en
un baño de sales.
Entre los factores que afectan a los procesos de tratamiento térmico del acero se
encuentran la temperatura y el tiempo durante el que se expone a dichas
condiciones al material. Otro factor determinante es la forma en la que el acero
vuelve a la temperatura ambiente. El enfriamiento del proceso puede incluir su
inmersión en aceite o el uso del aire como refrigerante.
El método del tratamiento térmico, incluyendo su enfriamiento, influye en que el
acero tome sus propiedades comerciales.
Según ese método, en algunos sistemas de clasificación, se le asigna un prefijo
indicativo del tipo. Por ejemplo, el acero O-1, o A2, A6 (o S7) donde la letra "O" es
indicativo del uso de aceite (del inglés: oil quenched), y "A" es la inicial de aire; el
prefijo "S" es indicativo que el acero ha sido tratado y considerado resistente al
golpeo (shock resistant)
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL2.6.1. Características mecánicas y tecnológicas del acero
Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido a
que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos
térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con
combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se
pueden citar algunas propiedades genéricas:
Su densidad media es de 7850 kg/m³.
En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir.
El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los porcentajes de
elementos aleantes. El de su componente principal, el hierro es de alrededor
de 1.510 °C en estado puro (sin alear), sin embargo el acero presenta
frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1.375 °C, y en
general la temperatura necesaria para la fusión aumenta a medida que se
aumenta el porcentaje de carbono y de otros aleantes. (excepto las
aleaciones eutécticas que funden de golpe). Por otra parte el acero rápido
funde a 1.650 °C.15
Su punto de ebullición es de alrededor de 3.000 °C.16
Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas
para fabricar herramientas.
Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres.
Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La
hojalata es una lámina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor,
recubierta, generalmente de forma electrolítica, por estaño.
Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de recibir un
tratamiento térmico.
Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se
deforman al sobrepasar su límite elástico.
La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr mediante
su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos entre los cuales quizá el
más conocido sea el templado del acero, aplicable a aceros con alto contenido en
carbono, que permite, cuando es superficial, conservar un núcleo tenaz en la pieza
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILque evite fracturas frágiles. Aceros típicos con un alto grado de dureza superficial
son los que se emplean en las herramientas de mecanizado, denominados aceros
rápidos que contienen cantidades significativas
de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. Los ensayos tecnológicos para medir la
dureza son Brinell,Vickers y Rockwell, entre otros.
Se puede soldar con facilidad.
La corrosión es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro se oxida con
suma facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que
posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se consume la pieza por completo.
Tradicionalmente los aceros se han venido protegiendo mediante tratamientos
superficiales diversos. Si bien existen aleaciones con resistencia a la corrosión
mejorada como los aceros de construcción «corten» aptos para intemperie (en
ciertos ambientes) o los aceros inoxidables.
Normalización de las diferentes clases de acero
Para homogeneizar las distintas variedades de acero que se pueden producir,
existen sistemas de normas que regulan la composición de los aceros y las
prestaciones de los mismos en cada país, en cada fabricante de acero, y en muchos
casos en los mayores consumidores de aceros.
Existen otras normas reguladoras del acero, como la clasificación de AISI (de uso
mucho más extendido internacionalmente), ASTM, DIN, o la ISO 3506.
Mecanizado del acero
Acero laminado
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl acero que se utiliza para la construcción de estructuras metálicas y obras
públicas, se obtiene a través de la laminación de acero en una serie de perfiles
normalizados.
El proceso de laminado consiste en calentar previamente los lingotes de acero
fundido a una temperatura que permita la deformación del lingote por un proceso de
estiramiento y desbaste que se produce en una cadena de cilindros a presión
llamado tren de laminación. Estos cilindros van formando el perfil deseado hasta
conseguir las medidas que se requieran. Las dimensiones de las secciones
conseguidas de esta forma no se ajustan a las tolerancias requeridas y por eso
muchas veces los productos laminados hay que someterlos a fases de mecanizado
para ajustar sus dimensiones a la tolerancia requerida.
Acero forjado
La forja es el proceso que modifica la forma de los metales por deformación plástica
cuando se somete al acero a una presión o a una serie continuada de impactos. La
forja generalmente se realiza a altas temperaturas porque así se mejora la calidad
metalúrgica y las propiedades mecánicas del acero.
El sentido de la forja de piezas de acero es reducir al máximo posible la cantidad de
material que debe eliminarse de las piezas en sus procesos de mecanizado. En la
forja por estampación la fluencia del material queda limitada a la cavidad de la
estampa, compuesta por dos matrices que tienen grabada la forma de la pieza que
se desea conseguir.
Acero corrugado
El acero corrugado es una clase de acero laminado
usado especialmente en construcción, para emplearlo
en hormigón armado. Se trata de barras de acero que
presentan resaltos o corrugas que mejoran la
adherencia con el hormigón. Está dotado de una gran
ductilidad, la cual permite que a la hora de cortar y doblar no sufra daños, y tiene
una gran soldabilidad, todo ello para que estas operaciones resulten más seguras y
con un menor gasto energético.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILLas barras de acero corrugado están normalizadas. Por ejemplo, en España las
regulan las normas: UNE 36068:1994- UNE 36065:2000 –UNE36811:1998.
Las barras de acero corrugados se producen en una gama de diámetros que van de
6 a 40 mm, en la que se cita la sección en cm² que cada barra tiene así como su
peso en kg.
Las barras inferiores o iguales a 16 mm de diámetro se pueden suministrar en barras
o rollos, para diámetros superiores a 16 siempre se suministran en forma de barras.
Las barras de producto corrugado tienen unas características técnicas que deben
cumplir, para asegurar el cálculo correspondiente de las estructuras de hormigón
armado. Entre las características técnicas destacan las siguientes, todas ellas se
determinan mediante el ensayo de tracción:
límite elástico Re (Mpa)
carga unitaria de rotura o resistencia a la tracción Rm (MPa)
alargamiento de rotura A5 (%)
alargamiento bajo carga máxima Agt (%)
relación entre cargas Rm/Re
módulo de Young E.
Estampado del acero
La estampación del acero consiste en un proceso de mecanizado sin arranque de
viruta donde a la plancha de acero se la somete por medio de prensas adecuadas a
procesos de embutición y estampación para la consecución de determinadas piezas
metálicas. Para ello en las prensas se colocan los moldes adecuados.
Troquelación del acero: La troquelación del acero consiste en un proceso de
mecanizado sin arranque de viruta donde se perforan todo tipo de agujeros en la
plancha de acero por medio de prensas de impactos donde tienen colocados sus
respectivos troqueles y matrices.
Mecanizado blando
Las piezas de acero permiten
mecanizarse en procesos de
arranque de virutas en máquinas-
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILherramientas (taladro, torno, fresadora, centros de mecanizado CNC, etc.) luego
endurecerlas por tratamiento térmico y terminar los mecanizados por procedimientos
abrasivos en los diferentes tipos de rectificadoras que existen.
Rectificado
El proceso de rectificado permite obtener muy buenas calidades de acabado
superficial y medidas con tolerancias muy estrechas, que son muy beneficiosas para
la construcción de maquinaria y equipos de calidad. Pero el tamaño de la pieza y la
capacidad de desplazamiento de la rectificadora pueden presentar un obstáculo.
Mecanizado duro
En ocasiones especiales, el tratamiento térmico del acero puede llevarse a cabo
antes del mecanizado en procesos de arranque de virutas, dependiendo del tipo de
acero y los requerimientos que deben ser observados para determinada pieza. Con
esto, se debe tomar en cuenta que las herramientas necesarias para dichos trabajos
deben ser muy fuertes por llegar a sufrir desgaste apresurado en su vida útil. Estas
ocasiones peculiares, se pueden presentar cuando las tolerancias de fabricación son
tan estrechas que no se permita la inducción de calor en tratamiento por llegar a
alterar la geometría del trabajo, o también por causa de la misma composición del
lote del material (por ejemplo, las piezas se están encogiendo mucho por ser
tratadas). En ocasiones es preferible el mecanizado después del tratamiento
térmico, ya que la estabilidad óptima del material ha sido alcanzada y, dependiendo
de la composición y el tratamiento, el mismo proceso de mecanizado no es mucho
más difícil.
Mecanizado por descarga eléctrica
En algunos procesos de fabricación que se basan en la descarga eléctrica con el
uso de electrodos, la dureza del acero no hace una diferencia notable.
Taladrado profundo
En muchas situaciones, la dureza del acero es determinante para un resultado
exitoso, como por ejemplo en el taladrado profundo al procurar que un agujero
mantenga su posición referente al eje de rotación de la broca de carburo. O por
ejemplo, si el acero ha sido endurecido por ser tratado térmicamente y por otro
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILsiguiente tratamiento térmico se ha suavizado, la consistencia puede ser demasiado
suave para beneficiar el proceso, puesto que la trayectoria de la broca tenderá a
desviarse.
Doblado
El doblado del acero que ha sido tratado térmicamente no es muy recomendable
pues el proceso de doblado en frío del material endurecido es más difícil y el
material muy probablemente se haya tornado demasiado quebradizo para ser
doblado; el proceso de doblado empleando antorchas u otros métodos para aplicar
calor tampoco es recomendable puesto que al volver a aplicar calor al metal duro, la
integridad de este cambia y puede ser comprometida.
Perfiles de acero
Para su uso en construcción, el acero se distribuye en perfiles metálicos, siendo
éstos de diferentes características según su forma y dimensiones y debiéndose usar
específicamente para una función concreta, ya sean vigas o pilares.
Aplicaciones
El acero en sus distintas clases está presente
de forma abrumadora en nuestra vida cotidiana
en forma de herramientas, utensilios, equipos
mecánicos y formando parte de
electrodomésticos y maquinaria en general así
como en las estructuras de las viviendas que habitamos y en la gran mayoría de los
edificios modernos. En este contexto existe la versión moderna de perfiles de acero
denominada Metalcón.
Los fabricantes de medios de transporte de mercancías (camiones) y los de
maquinaria agrícola son grandes consumidores de acero.
También son grandes consumidores de acero las actividades constructoras de
índole ferroviario desde la construcción de infraestructuras viarias así como la
fabricación de todo tipo de material rodante.
Otro tanto cabe decir de la industria fabricante de armamento, especialmente la
dedicada a construir armamento pesado, vehículos blindados y acorazados.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILTambién consumen mucho acero los grandes astilleros constructores de barcos
especialmente petroleros, y gasistas u otros buques cisternas.
Como consumidores destacados de acero cabe citar a los fabricantes de
automóviles porque muchos de sus componentes significativos son de acero.
A modo de ejemplo cabe citar los siguientes componentes del automóvil que son de
acero:
Son de acero forjado entre otros componentes: cigüeñal, bielas, piñones, ejes de
transmisión de caja de velocidades y brazos de articulación de la dirección.
De chapa de estampación son las puertas y demás componentes de la carrocería.
De acero laminado son los perfiles que conforman el bastidor.
Son de acero todos los muelles que incorporan como por ejemplo; muelles de
válvulas, de asientos, de prensa embrague, de amortiguadores, etc.
De acero de gran calidad son todos los rodamientos que montan los automóviles.
De chapa troquelada son las llantas de las ruedas, excepto las de alta gama que son
de aleaciones de aluminio.
De acero son todos los tornillos y tuercas.
Cabe destacar que cuando el automóvil pasa a desguace por su antigüedad y
deterioro se separan todas las piezas de acero, son convertidas en chatarra y son
reciclados de nuevo en acero mediante hornos eléctricos y trenes de laminación o
piezas de fundición de hierro.
2.6.2 Propiedades físicas y químicas
Propiedades Físicas
Propiedades de los cuerpos: encontramos entre otras, Materia, Cuerpo, Estado de
agregacion, Peso, Masa, Volumen, Densidad, pe... especifico (m/v).
Propiedades Térmicas: están referidas a los mecanismos de calor existen tres
mecanismos:
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILConducción: se produce cuando la fuente emisora esta en contacto directo con el
que se desea aumenta Tº
Convección: para que ocurra transferencia de calor por convección es necesario que
exista un fluido quien sea el encargado de transmitir el calor de la fuente emisora
hacia el cuerpo o ambiente
Radiación: Se produce porque la fuente de calor se encuentra en contacto en forma
directa con el ambiente. Esta fuente emisora genera rayos infrarrojos que sirven de
medio de transferencia de calor.
Propiedades Eléctricas: Estan relacionadas con la capacidad de conducir la corriente
eléctrica.
Propiedades Ópticas: estan referidos a la capacidad que poseen los materiales para
reflejar o absorber el calor de acuerdo a las siguientes características: Color-Brillo-
Pulido.
Propiedades Magnéticas: Están referidas a la capacidad que poseen los materiales
metalicos para inducir o ser inducidos por un campo electromagnetico, es decir
actuar como iman o ser atraidos por un iman.
Propiedades químicas
El acero está compuesto principalmente por hierro, pero también contiene de 0,5 a 2
por ciento de carbono. Los átomos de carbono se intercalan entre los átomos de
hierro y mejoran notablemente su rigidez.
Propiedades Térmicas.
Están referidas a los mecanismos de calor existen tres mecanismos:
Conducción: se produce cuando la fuente emisora está en contacto directo con el
que se desea aumentar Tº.
Convección: para que ocurra transferencia de calor por conveccion es necesario
que exista un fluido quien sea el encargado de transmitir el calor de la fuente
emisora hacia el cuerpo o ambiente.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILRadiación: Se produce porque la fuente de calor se encuentra en contacto en forma
directa con el ambiente. Esta fuente emisora genera rayos infrarrojos que sirven de
medio de transferencia de calor.
Propiedades Eléctricas: Están relacionadas con la capacidad de conducir la
corriente eléctrica.
Propiedades Ópticas: están referidos a la capacidad que poseen los materiales
para reflejar o absorber el calor de acuerdo a las siguientes características: Color-
Brillo-Pulido.
Propiedades Magnéticas: Están referidas a la capacidad que poseen los materiales
metálicos para inducir o ser inducidos por un campo electromagnético, es decir
actuar como imán o ser atraídos por un imán.
2.6.4 Protección del acero
El acero es un producto muy versátil. Se produce de muchos tamaños y tipos y se
aplica en muchos usos, que incluyen los edificios de acero, los paneles
automotrices, las señales y los aparatos electrodomésticos. El bajo costo, resistencia
y formabilidad del acero son algunas de las razones por las que se usa
ampliamente. Desafortunadamente el acero tiene tendencia a herrumbrarse, un
fenómeno que causa que la superficie adquiera una apariencia desagradable y, que
con el tiempo, pude contribuir a que el producto falle. Por esta razón es que el acero
se protege utilizando una gran diversidad de métodos, que van desde la formación
de aleaciones internas (como en el caso del acero inoxidable) hasta el revestimiento
con pinturas y/o recubrimientos metálicos.
La corrosión es un proceso electroquímico que, en el caso del acero, oxida al hierro
que hay en el acero y causa que éste se vuelva más delgado con el tiempo. La
oxidación, o formación de herrumbre, ocurre como resultado de la reacción química
que hay entre el acero y el oxígeno. El oxígeno está presente siempre en el aire o
puede estar disuelto en la humedad que existe en la superficie del acero. Durante el
proceso de formación de herrumbre, el acero se consume verdaderamente durante
la reacción de corrosión, ya que el hierro se convierte en productos de corrosión, es
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILdecir, simplemente regresa a su forma original y de más baja energía de óxido de
hierro.
El acero es el metal más ampliamente utilizado para la fabricación de estructuras
como por ejemplo, puentes, estanques, casco de buques, etc. Si nos referimos al
origen electroquímico de la corrosión, veremos que en un mismo metal hay áreas
que poseen un distinto potencial eléctrico. Dicha diferencia de potencial es
atribuible, entre otros, a la capa de óxido remanente propia del proceso de
laminación del acero en donde esta herrumbre es catódica respecto del acero o
también a diferencias en el oxígeno disuelto en el agua u otro electrolito.
La protección catódica de estructuras de acero se basa en la aplicación de un metal
que sea anódico respecto del acero, de tal manera que proteja a este último
mediante el establecimiento de una celda galvánica intencional, en donde el acero
se convierte en cátodo, es decir en el metal protegido. Este mecanismo de
protección implica por lo tanto el aporte de un metal de sacrificio que se corroerá
preferencialmente. Si se analiza la serie galvánica de los metales, se puede ver que
tanto el Zn como el Al y el Mg, son anódicos respecto del hierro y del acero.
Se distinguen 2 sistemas de protección:
a) Aplicación de 3 a 10 mils de Zn o Al sobre la superficie en donde el revestimiento
protege al acero comportándose como ánodo y degradándose preferencialmente.
b) Aplicación de 3 a 10 mils de Zn o Al sobre la superficie, seguido de la aplicación
de un sellante.
El propósito del sellante es impedir la penetración de líquidos y/o gases hacia el
acero, imposibilitando la formación de una celda galvánica lo que permite alargar
considerablemente la vida útil del revestimiento metálico.
Los sellantes empleados varían en función del ambiente corrosivo que se desea
aislar. En general, se emplean pinturas del tipo vinílica, acrílicas, epóxica, uretanos,
siliconas, etc.
Como se ha demostrado fehacientemente a través de experiencias prácticas y
aplicaciones industriales, los sistemas de protección anticorrosivas por metalizado
muestran duraciones de 3 a 10 veces mayor que sistemas tradicionales de pintura.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILAun cuando el costo de aplicación inicial resulta en algunos casos superior al costo
de aplicar un sistema tradicional, dado su larga duración sin necesidad de
mantenimiento, los revestimientos metálicos por metalizado resultan a la larga
extremadamente económicos.
La extraordinaria resistencia a la corrosión de estos revestimientos se debe a que el
sistema:
Provee protección galvánica.
Actúa como paseador del metal base (acero).
Provee un inhibidor contra la oxidación (imprimante).
Provee una barrera impermeable (sellante).
2.7 MATERIALES BITUMINOSOS
Se consideran materiales bituminosos los que contienen en su composición asfaltos
naturales, betunes asfálticos de penetración, betunes asfálticos de oxidación,
alquitranes o breas.
Los materiales bituminosos pueden ser de los siguientes tipos: imprimadores, que se
utilizan para la preparación de superficies; pegamentos bituminosos y adhesivos,
que se utilizan para la unión de productos o elementos de la impermeabilización;
másticos y armaduras bituminosas, que se utilizan para la realización in situ de la
impermeabilización; materiales para el sellado de juntas; y productos prefabricados
tales como las láminas y las placas.
Los materiales bituminosos son sustancias de color negro, sólidas o viscosas,
dúctiles, que se ablandan por el calor y comprenden aquellos cuyo origen son los
crudos petrolíferos como también los obtenidos por la destilación destructiva de
sustancias de origen carbonoso.
El betún es uno de los materiales de construcción que existen; ya en Mesopotamia
en el valle de uno (3.800 a. de c.), se empleaba el betún natural aglomerante en
albañeria en la construcción de camino y en la impermeabilidad de estanque y
depósitos de agua.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILLos primeros productos que se emplearon fueron betunes naturales pero en la
actualidad del uso que se hace esto es muy reducido y casi la totalidad de los
productos bituminosos empleados en la construcción proceden de la destilación del
petróleo o de carbones, los materiales bituminosos pueden dividirde en dos grandes
grupos: betunes y alquitranes. Ambos presentan una serie de propiedades analógas
y de diferencias muy significativas: los dos son termoplásticos y poseen una buena
adhesividad con los aridos; sin embargo, laviscosidad de los alquitranes se
envejecimientos es mucho mayor que el de estos.
Reseña Histórica
Se trata de unos de los materiales de construcción más antiguos que existen;
usados ya en Mesopotamia y en el valle del Indo (3.800 a.C.). Se empleaba el betún
natural en construcciones de caminos, albañilería y otros usos.
Pese a que los primeros productos utilizados fueron los betunes naturales, con el
paso del tiempo y el avance de la ciencia, su uso se visto reducido en favor de
betunes químicos procedentes de la destilación del petróleo o de carbones.
Tipos
Los materiales bituminosos pueden dividirse en dos grandes grupos: betunes y
alquitranes.
Ambos presentan unas propiedades análogas y de diferencias muy significativas: los
dos son termoplásticos y poseen una buena adhesividad con los áridos; sin embargo
la viscosidad de los alquitranes se ve más afectada por las variaciones de
temperaturas y su envejecimiento es mucho más precoz que el de los betunes.
Betunes
Proceso en el que se puede visualizar el bitumen.
Son mezclas de hidrocarburos naturales, pirogenados (sometidos a tratamientos de
calor), o combinaciones de ambos. Pueden presentar diversos estados: gaseosos,
líquidos, semisólidos, y sólidos. Además y como ya hemos comentado pueden ser
naturales o artificiales. Los betunes naturales o nativos son líquidos viscosos o
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILcompuestos salidos constituidos por mezcla de hidrocarbono y sus derivados no
metálicos. Los betunes artificiales proceden del petróleo obteniéndose por.
Oxidación o Cracking.
Betunes naturales
Se encuentran en la naturaleza formando lagos, mezclados con arena o arcilla, y a
veces impregnando rocas. Son poco abundantes y su extracción no presenta gran
interés. El origen de estos betunes está en los petróleos que han subido a la
superficie a través de fisuras y se han depositado allí; con el tiempo los materiales
más ligeros se evaporaron, quedando los componentes de mayor viscosidad. Estos
lagos se siguen explotando. Si estos betunes, los unimos a betunes artificiales, pues
les confieren mejoras en cuanto a resistencia de durabilidad a veces estos betunes
impregnan rocas porosas y se las conoces como rocas asfálticas; y fueron el primer
material bituminoso utilizado en pavimentación.
Asfalto: es un producto natural o preparado en el que el betún asfaltico esta unido a
material mineral inerte.
Betunes artificiales
Se obtienen a partir del petróleo sometiendo al mismo, después de una destilación
fraccionada a temperatura ambiente, a otro proceso de destilación fraccionada en
caliente y vacío para obtener aceites pesados y grasas sin que se produzca el
cracking que se origina con temperaturas más altas. Este cracking consiste en
romper las cadenas de los hidrocarburos más largas y convertirlas en hidrocarburos
de cadenas más pequeñas.
Cabe destacar dentro de los diversos tipos de betunes, algunos de ellos de especial
interés como los betunes asfálticos. Estos betunes, preparados por destilación de
hidrocarburos naturales, se presentan como sólidos o semisólidos a temperatura
ambiente por lo que para poder usarlos en obra, es precisos calentarlos a fin de
reducir su viscosidad.
También conviene citar otros tipos de ellos, como los betunes fluidificados o las
emulsiones bituminosas.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILBetunes fluidificados
Se obtienen mezclando betunes duros con aceites ligeros (queroseno, gasolina,
etc.). Tiene la ventaja de que no es preciso calentarlos para su utilización y los
disolventes empleados tienen como única misión facilitar el trabajo en obra, ya que
se eliminan en el proceso de curado. Si este betún lo emulsionamos con agua,
además de reducir su viscosidad, facilita su uso en condiciones de bajas
temperaturas, lluvias o humedad.
Las especificaciones españolas definen dos grupos de betunes fluidificados: RC
(curado rápido) y MC (curado medio). Los rápidos emplean como disolvente naftas o
gasolinas muy volátiles, mientras que los medios utilizan petróleo o queroseno.
Betunes Modificados con Polímeros:
Durante la ultima décadas ha sido objeto de constante interés la modificación de los
gigantes bituminosos con objetos de mejorar sus propiedades que en algunos casos
resultan insuficiente para cumplir las especificaciones exigidas a estos materiales en
sus numerosas aplicaciones tecnológicas. Los ligantes bituminosos son materiales
termoplásticos que presenta un intervalo de plasticidad reducido, comportándose a
baja temperatura moderadamente elevada como productos viscosos.
Para mejorar los ligantes se emplean los polímeros, compuestos orgánicos de
elevados peso molecular formado por la repetición sucesiva de uno vario grupos
estructurales.
- Termoplásticos
- Elastómeros
- Termoendurecibles
Termoplásticos: (PVC, polietileno, EVA) son macromoléculas lineales que por la
acción del calor se reblandecen de forma reversibles. Un nuevo enfriamiento les
devuelve de nuevo sus propiedades en estado sólido.
Elastómeros: son sustancias con un comportamiento similar al caucho, existiendo
dos tipos:
- Macromoléculas Lineales SBR
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL- Macromoléculas parcialmente tridimensionales. Caucho vulcanizado,
poliisopreno, etc.
Termoendurecibles: (resina epoxi, etc…) por la acion del calor se endurecen de
forma irreversible, descomponiéndose al fundir.
Además de estos tres grandes grupos de polímeros, han aparecido en el mercado
hace apenas una década los elastómeros, termoplásticos, que son polímeros que
poseen un carácter termoplásticos y además tienen propiedades elastómeras.
Emulsiones Bituminosas
Son mezclas de dos líquidos no miscibles, uno de los cuales se dispersa en forma
de gotas muy pequeñas por el otro. Si se mezclan y agitan betún fundido y agua
caliente se obtiene una emulsión, pero, en cuanto está en reposo las partículas
dispersas empiezan a unirse hasta que se produce la separación del betún y el
agua, lo que se denomina como emulsión rota. A fin de conseguir emulsiones
estables, se emplea un tercer producto llamado “emulsionante” cuya finalidad es
rodear las partículas del betún impidiendo su unión, y por consiguiente evitando que
la emulsión se rompa.
Si la emulsión se deja en reposo una vez fabrica, las partículas de betún se unen y
se separan del agua. Para evitar este problema se incorpora un gente emulsionante,
que envuelve las partículas de la fase dispersa y evita su unión y por tanto la
coagulación de la emulsión.
Al colocar en obra la emulsión y en contacto con los áridos, se produce la rotura de
la misma. Es decir, las partículas se vuelven a juntar formando una película continua
que une al árido. Por ello existen varios tipos de emulsiones de rotura: rápida (R),
media (M) y lenta (L). Además las especificaciones españolas distinguen dos grupos
de emulsiones: las aniónicas (A) y las catiónicas(C).
Algunos autores clasifican de diferente forma los tipos de betunes siendo otra
posible clasificación la siguiente: imprimadores, que se utilizan para la preparación
de superficies; pegamentos bituminosos y adhesivos, que se utilizan para la unión
de productos o elementos de la impermeabilización; másticos y armadura
bituminosas, que se utilizan para la realización in situ de la impermeabilización;
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILmateriales para el sellado de juntas; y productos prefabricados tales como las
láminas y las placas.
Emulsiones de Betún Modificado
- Este tipo de emulsiones de reologia modificada viene a ocupar una parcela
importante en el campo de la pavimentación en frio dado que:
- Impulsa el empleo de emulsión, algo postergadas con la aparición de las
catiónicas.
- Hacen posible la realización de tratamiento superficiales económicas, pues
permite emplear áridos con curvas granulométricos notan bien conseguidas
como las exigidas por el PG-3
- Se pueden emplear áridos con un cierto porcentaje de finos ya que al tener
menos viscosidad afecte más tarde al comportamiento del tratamiento. Esto
dos últimos apartados se traducen en la posibilidad de utilizar materiales
locales baratos en carreteras de bajos tráfico.
- Son las emulsiones de rotura media especialmente indicados para utilizar
aridos calizos para realizar mezclas en frio, incluso en el caso de que los
arido contengan un cierto porcentaje de fino (>20%), situación en la que si s
emplean ECM dan lugar a los conocidos fenómenos de:
- Rotulado prematura
- Envuelta insuficiente
- Baja estabilidad de las mezclas.
Mortero bituminoso en caliente:
- Filler, arena y betún blando (o fluidificado)
- Huecos = 6 al 12%
- Filler = 3 al 10%
- Betun = 6 al 10%
A veces se añaden aditivos para mejorar la abhesividad arido ligante. Inicialmente
permeable, pero luego disminuye el contenido en hueco y pasa a ser impermeable.
Flexibles, buena resistencia a fatiga, duraderos, textura microrrugosa (bajo nivel
sonoro), elevada capacidad de autorreparacion. Bajo coeficiente de resistencia al
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILdeslizamiento, lo que hace que solo se puedan utilizar en vías de baja velocidad.
Cohesión insuficiente.
Alquitranes
Son productos bituminosos semisólidos o líquidos
que se obtienen por destilación en ausencia de
aire. Existen distintos tipos de alquitrán: de hulla,
lignito, esquistos o madera. Siendo el primero de
ellos el más utilizado en obra.
El alquitrán no se obtienen como producto sino
como subproducto normalmente estos carbones
vegetal (hulla, antracita) los calentamos para que
se desprenda los hidrocarburos que guardan en su interior y entonces obtenemos el
gas ciudad. Este gas va por una tubería, en la misma encontramos un residuo
viscoso que es a lo que llamamos alquitrán en bruto. Este alquitrán se le somete a
un proceso de destilación, donde vamos separando aceite de distintas finuras, al
final nos va a quedar solo la brea. Con la brea y con aceite de distintas densidades,
vamos a obtener el alquitrán con que vamos a trabajar.
Se denomina brea al residuo fusible, semisólido o sólido, de color negro o marrón
oscuro, que queda después de la evaporación parcial o destilación del alquitrán o
sus derivados. El alquitrán no se obtiene como producto, sino como subproducto.
Normalmente se calientan los carbones vegetales (hulla, antracita) para que se
desprendan los hidrocarburos que guardan en su interior y entonces obtenemos el
gas ciudad.
Penetración
Es una medida de la consistencia del producto. Se determina midiendo en décimas
de mm la longitud que entra una aguja normalizada en una muestra con unas
condiciones especificadas de tiempo, temperatura y carga. Esto mide si el producto
es líquido, semisólido o sólido. La consistencia varía con la densidad, disminuyendo
la consistencia al aumentar la densidad.
Susceptibilidad Térmica
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEs la aptitud que presenta un producto para variar su viscosidad en función de la
temperatura. Los menos susceptibles son los oxidados, después los de penetración
y los que más susceptibles son los alquitranes.
Punto de reblandecimiento
Es una medida de la susceptibilidad térmica. El punto de reblandecimiento aumenta
cuando aumenta la densidad y la penetración disminuye. Un ensayo para su medida
es el de anillo y bola (A y B) que consiste en aumentar la temperatura, midiendo
cuando la bola llega al fondo del recipiente arrastrando el producto bituminoso.
Índice de Penetración
Valor que da la susceptibilidad térmica de los betunes y se obtiene de otros dos
ensayos: el punto de reblandecimiento y el de penetración.
Envejecimiento
Los betunes se ponen en obra en estado plástico. Luego van endureciendo,
aumenta la cohesión y crece la viscosidad y la dureza. Este fenómeno tiene lugar
hasta llegar a una dureza determinada. A partir de ahí, la cohesión disminuye y el
producto se vuelve frágil, muy sensible a los esfuerzos bruscamente aplicados y a
las deformaciones rápidas.
Punto de Fragilidad Fraas
El ensayo se aplica a los materiales sólidos o semisólidos y consiste en someter a
una película del material que recubre una placa de acero a ciclos sucesivos de
flexión a temperaturas decrecientes. Se define como Punto de Fragilidad Fraas la
temperatura en ºC a la que, a causa de la rigidez que va adquiriendo el material, se
observa la primera fisura o rotura en la superficie de la película.
Transporte y almacenamiento de los betunes asfálticos
El betún asfáltico será transportado en cisternas calorífugas y provistas de
termómetros situados en puntos bien visibles. Las cisternas deberán estar
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILpreparadas para poder calentar el betún asfáltico cuando, por cualquier anomalía, la
temperatura de éste baje para impedir su trasiego. Asimismo, dispondrán de un
elemento adecuado para la toma de muestras.
Se almacenará en uno o varios tanques, adecuadamente aislados entre sí, que
deberán estar provistos de bocas de ventilación para evitar que trabajen a presión y
que cuenten con los aparatos de medida y seguridad necesarios, situados en puntos
de fácil acceso.
Los tanques deberán ser calorífugos y estar provistos de termómetros situados en
puntos bien visibles y dotados de su propio sistema de calefacción, capaz de evitar
que, por cualquier anomalía, la temperatura del producto se desvíe de la fijada para
el almacenamiento en más de diez grados Celsius (10 °C). Asimismo, dispondrán de
una válvula adecuada para la toma de muestras.
Cuando los tanques de almacenamiento no dispongan de medios de carga propios,
las cisternas empleadas para el transporte de betún asfáltico estarán dotadas de
medios neumáticos o mecánicos para el trasiego rápido de su contenido a los
mismos.
Todas las tuberías directas y bombas, preferiblemente rotativas, utilizadas para el
trasiego del betún asfáltico, desde la cisterna de transporte al tanque de
almacenamiento y de éste al equipo de empleo, deberán estar calefactadas,
aisladas térmicamente y dispuestas de modo que se puedan limpiar fácil y
perfectamente después de cada aplicación o jornada de trabajo.
Por último, el Director de las Obras comprobará, con la frecuencia que crea
necesaria, los sistemas de transporte y trasiego y las condiciones de
almacenamiento en todo cuanto pudiera afectar a la calidad del material; y de no ser
de su conformidad, suspenderá la utilización del contenido del tanque o cisterna
correspondiente hasta la comprobación de las características que estime
convenientes.
La principal aplicación de los materiales bituminosos y a la que se destina el mayor
porcentaje de su producción, se realiza en el campo de la pavimentación de
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILcarreteras, formando lo que se ha dado en denominar firmes flexibles. Otra
aplicación importante, por el gran papel que desempeña en la construcción aunque
no por el consumo de productos, es la impermeabilización tanto de obras hidráulicas
como de edificios.
Pavimentos de carreteras
Se pueden considerar las siguientes aplicaciones de productos bituminosos a firmes
de carreteras: riegos sin gravilla (de imprimación, riegos de adherencia, de curado),
riegos con gravilla, lechadas bituminosas y mezclas bituminosas en frío o en
caliente.
Impermeabilizaciones
Una de las aplicaciones más antiguas de los productos bituminosos ha sido la
impermeabilización de obras frente al paso del agua procedente del terreno, de lluvia
o contenida en depósito o tanques, así como en la protección de estructuras frente a
la acción erosionante del agua en movimiento.
Impermeabilización de edificios
El agua puede penetrar en una construcción a través de juntas entre las piezas que
forman la cubierta, a través de fisuras, por paredes batidas por las lluvias y el viento,
y también las humedades pueden proceder del terreno y ascender por capilaridad en
los muros o en los cimientos. La protección contra las humedades debe realizarse
en la fase constructiva del edificio ya que "a posteriori" y una vez que han aparecido
goteras y humedades es más difícil y aventurado realizar esta protección. La
impermeabilización puede realizarse:
En masa
Mezclando con los demás componentes del hormigón tierra de diatomeas
impregnada de asfalto o emulsiones asfálticas.
Pinturas asfálticas
Pinturas aplicadas en caliente de alquitrán o de betún, o pinturas aplicadas en frío de
cutbacks o emulsiones. Es aplicable en superficies como: exteriores para la
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILimpermeabilización de terrazas, tejados, azoteas, paredes medianeras y en general
todas las zonas exteriores que no estén sometidas a tránsito significativo y que por
su situación se precise impedir el paso del agua. Puede aplicarse sobre cualquier
superficie de albañilería exterior, baldosas, cemento, fibrocemento, piedra, etc., y
sobre otros materiales como, espuma de poliuretano, galvanizados, zinc, aluminio,
PVC, etc.
Membranas asfálticas prefabricadas
Son telas orgánicas o inorgánicas saturadas de un betún fluido y recubiertas por
varias capas superficiales de un betún de mayor dureza pero que tenga la suficiente
flexibilidad para que las membranas puedan enrollarse y desenrollarse sin fisurarse.
En muchas ocasiones se terminan en la superficie exterior o vista con una lámina de
aluminio, o con un arenado.
Revestimiento e impermeabilización de canales
Tienen por finalidad impermeabilizar y proteger la superficie de la obra mediante la
creación de una membrana continua que evite la pérdida de agua, crear una
superficie resistente a la erosión que proporcione una pérdida de carga lo más
reducida posible y estabilizar los márgenes de la obra. Hay dos tipos de
impermeabilización de canales: uno consistente en la aplicación de hormigones
asfálticos y otro en la realización de tratamientos impermeables.
Impermeabilización de presas de tierra y escollera
Se reviste el paramento de aguas arriba por medio de una o dos capas de hormigón
asfáltico de modo que se cree un revestimiento impermeable de unos 20 a 25 cm.
2.7.1GENERALIDADES, EVOLUCIÓN DE SUS APLICACIONES
Se denomina ligantes bituminosos a una
amplia gama de productos que tienen
en común su aspecto, color y poder
aglomerante, debiéndose estas
similitudes al hecho de que están
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILconstituidos por una mezcla compleja de hidrocarburos de distintos tipo. El termino
betún o bituminoso, es por ende genérico para todo los productos cuyas
propiedades y composición tengan características comunes.
Históricamente se puede señalar que algunos tipos de ligantes bituminosos se
empleaban desde más de 3.000 años A.C. en la Mesopotamia y en el valle del indo,
como aglomerantes para albañilería, mejorado de caminos e impermeabilización de
tanques y depósitos de agua. Su empleo en la construcción de las carreteras
modernas data de los primeros años del siglo xix, continuándose hasta nuestros días
donde su uso en pavimentos es amplio y difundido.
Si bien el uso de los ligantes bituminosos es como se a señalado, la construcción de
carreteras, sus aplicaciones son diversas y tales como impermeabilización de
cubiertas, tratamiento de juntas, pinturas, etc.
2.7.2 Clasificación y mezclas asfálticas.
Una mezcla asfáltica en general es una combinación de asfalto y agregados
minerales pétreos en proporciones exactas. Las proporciones relativas de estos
minerales determinan las propiedades físicas de la mezcla y, eventualmente, el
rendimiento de la misma como mezcla terminada para un determinado uso.
La mezcla asfáltica debe ser duradera, es decir, debe ser resistente a las acciones
tales como el despegue de la película de asfalto del agregado por efectos del
agua, abrasión del tránsito, etc. Debe ser resistente a las solicitaciones de tránsito a
través de su estabilidad. Una mezcla debe ser impermeable para que sus
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILcomponentes no estén bajo la acción directa de los agentes atmosféricos y debe ser
trabajable para su fácil colocación y compactación en terreno. Cada una de estas y
otras propiedades deseables de las mezclas asfálticas.
Estas mezclas asfálticas pueden ser confeccionadas en plantas y con los equipos
apropiados para esta labor. Según sus propiedades y espesores de capa, se
considera que aportan capacidad estructural al pavimento.
Las mezclas asfálticas se clasifican de acuerdo a diferentes parámetros, entre ellos:
Por Fracciones del Agregado Pétreo en la Mezcla
Masilla Asfáltica: Polvo mineral más el ligante.
Mortero Asfáltico: Agregado fino más masilla.
Concreto Asfáltico: Agregado grueso más mortero.
Macadam Asfáltico: Agregado grueso más ligante asfáltico.
Temperatura de la Mezcla en la Puesta en Obra
Mezclas Asfálticas en Caliente
Fabricadas con asfaltos a temperaturas elevadas, en el rango de los 150 grados
centígrados, según la viscosidad del ligante, se calientan también los agregados,
para que el asfalto no se enfríe al entrar en contacto con ellos. La puesta en obra se
realiza a temperaturas muy superiores a la ambiente, pues en caso contrario, estos
materiales no pueden extenderse y menos aún compactarse adecuadamente.
Mezclas Asfálticas en Frío
El ligante es una emulsión asfáltica (aunque en algunos lugares se usan los asfaltos
fluidificados), y la puesta en obra se realiza a temperatura ambiente.
Proporción de Vacíos en la Mezcla Asfáltica
Este aspecto es de importancia fundamental para que no aparezcan deformaciones
plásticas con el paso de las cargas y por las variaciones térmicas.
Mezclas Cerradas o Densas: Con una proporción de vacíos no mayor al 6 %.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILMezclas Semi–Cerradas o Semi–Densas: La proporción de vacíos está entre el
6 % y el 10 %.
Mezclas Abiertas: Con una proporción de vacíos mayor de 12 %.
Mezclas Porosas o Drenantes: Con una proporción de vacíos superior al 20 %.
Por el Tamaño Máximo del Agregado Pétreo
Mezclas Gruesas: el tamaño máximo del árido es mayor a 10 mm.
Mezclas Finas: son microaglomerados ó morteros asfálticos; éstas son mezclas
formadas básicamente por un árido fino incluyendo el polvo mineral y un ligante
asfáltico. El tamaño máximo del agregado pétreo determina el espesor mínimo con
el que se extiende la mezcla (del doble al triple del tamaño máximo).
Por la Estructura del Agregado Pétreo
Mezclas con Esqueleto Mineral:
Provistas de un esqueleto mineral resistente, su componente de resistencia debida
al rozamiento interno de los agregados es notable. Ejemplo, las mezclas abiertas y
los que genéricamente se denominan concretos asfálticos, aunque también una
parte de la resistencia de estos últimos, se debe a la masilla.
Mezclas sin Esqueleto Mineral:
No poseen un esqueleto mineral resistente, la resistencia es debida exclusivamente
a la cohesión de la masilla. Ejemplo, los diferentes tipos de masillas asfálticas.
Por Granulometría
Mezclas Continuas: Una cantidad muy distribuida de diferentes tamaños de
agregado pétreo en el huso granulométrico.
Mezclas Discontinuas: Una cantidad muy limitada de tamaños de agregado pétreo
en el huso granulométrico.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL2.7.3 EMPLEO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS EN LA CONSTRUCCIÓN
Las mezclas asfálticas se emplean en la construcción de firmes, ya sea en capas de
rodadura o en capas inferiores y su función es proporcionar una superficie de
rodamiento cómoda, segura y económica a los
usuarios de las vías de comunicación, facilitando la
circulación de
los vehículos, aparte de transmitir suficientemente
las cargas debidas al tráfico a la explanada para que
sean soportadas por ésta.
Se tienen que considerar dos aspectos fundamentales
en el diseño y proyecto de un firme:
1. La Función Resistente, que determina los
materiales y los espesores de las capas que
habremos de emplear en su construcción. La
Finalidad, que determina las condiciones de textura y
acabado que se deben exigir a las capas superiores
del firme, para que resulten seguras y confortables. A
estas capas superiores de le denomina pavimento.
Vista de un sección transversal del firme de
bituminoso. Como en muchas carreteras antiguas la capa de hormigón de cemento
se suavizaba encima con una capa de
mezcla bituminosa.
Una capa de hormigón asfáltico. En
construcción de carreteras se usa una capa
base de roca partida para incrementar la
durabilidad del firme
Hormigón asfáltico, también conocido como hormigón bituminoso , mezcla asfáltica o
concreto bituminoso consiste en un agregado de asfalto y materiales minerales
(mezcla de varios tamaños de áridos y finos) que se mezclan juntos, se extienden en
capas y se compactan. Debido a sus propiedades es el material más común en los
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILproyectos de construcción para firmes de carreteras, aeropuertos y aparcamientos. .
Debido a sus buenas propiedades como impermeabilizante también se usa en el
núcleo de ciertas presas como impermeabilizante.
Los términos "hormigón asfáltico", "cemento asfáltico bituminoso" y sus
abreviaciones "AC" (del inglés asphalt concrete) son generalmente usados sólo en
ingeniería y en documentos de construcción y literatura. El término más común es
"asfalto", que además por defecto tiende a incluir a los pavimentos de hormigón de
cemento aunque en realidad éstos no estén compuestos realmente de asfalto. La
definición ingenieril de hormigón incluye cualquier material compuesto por un
agregado cementado con un aglutinante, que puede ser cemento Portland, pero que
en el caso que nos ocupa es asfalto. Informalmente el hormigón asfáltico es
conocido en Norteamérica como "blacktop" (en referencia a su superficie negra)
Propiedades requeridas
Las mezclas asfálticas tienen que cumplir los siguientes criterios para ser utilizables
en firmes:
Resistentes a las cargas del tráfico (tanto a la abrasión, como al asentamiento
vertical, como al despegue por los neumáticos)
Impermeable, ya que si el agua penetra por debajo del firme se filtrará al
cimiento de la carretera, desestabilizandolo.
Debe poderse trabajar con facilidad y su puesta en obra factible.
Fórmulas de mezcla
Las mezclas asfálticas y agregados pueden realizarse de la siguiente forma:
Mezcla de hormigón en caliente: Son producidas por el calentamiento del
aglutinante asfáltico, lo que disminuye su viscosidad, y permite mezclar el
material con el agregado de áridos. La mezcla se realiza a 150 °C para el
asfalto puro, y a 160 °C si el asfalto está modificado con polímeros. La
extensión y el compactado tienen que realizarse mientras el material está
caliente. En muchos países el asfalto se restringe a los meses de calor
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILporque en invierno la base compactada puede estar demasiado fría para
realizar la operación. Es el material más empleado en carreteras, autopistas,
aeropuertos y pistas de carreras.
Superpave, abreviatura de superior "performing asphalt pavement", del inglés
se traduciría como Pavimento de altas prestaciones. Es un pavimento
diseñado para proporcionar tiempos de vida útil más largos que los
pavimentos habituales. Las claves son un sistema cuidadoso de selección de
ingredientes y una gran calidad de los materiales y del control de obra.
Hormigón asfáltico templado se produce por la adición de zeolita, ceras o
emulsiones asfálticas para realizar la mezcla. Esto permite bajar
significativamente la temperatura de mezcla y extendido y disminuir el
consumo de combustibles fósiles, además de disminuir la emisión de dióxido
de carbono, aerosoles y vapores. También permite reducir el tiempo de
construcción y ciertos aditivos facilitan sus características en la puesta.
Hormigón asfáltico frío se aplican en pequeñas reparaciones con materiales
capaces de alcanzar resistencias a temperatura ambiente.
Hormigón asfáltico cut-back se produce disolviendo el aglutinante en
queroseno u otro líquido que disminuya la fricción de los componentes y
permita la mezcla. Se usa para pequeñas reparaciones, cuando no resulta
rentable usar maquinaria a gran escala y calentar mezclas. Debido al uso del
queroseno es muy contaminante.5
Hormigón asfáltico mástico o capa asfáltica se produce mediante el
calentamiento del material y su oxidación en un mezclador, hasta que se lícua
y se puede agregar el árido. El agregado tiene entre 6 y 8 horas para ser
puesto. Una vez transportado en la obra donde se vierte hasta realizar una
capa fina de 2 a 3 centrímetros, y también para impermeabilización de techos
con una capa de 1 centímetro.
Hormigón asfáltico natural puede ser producido de rocas bituminosas, de
lugares muy puntuales del mundo, donde la roca sedimentaria ha sido
impregnada de betún natural.
Pista de aterrizaje del Aeropuerto de Barajas en
Madrid, España
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILPrestaciones características
El hormigón asfáltico tiene diferentes prestaciones en términos de durabilidad de
superficie, soporte de neumático, eficiencia de frenado y disminución de ruido. Las
características necesarias del asfalto se obtienen en función de la categoría de
tráfico y el coeficiente de fricción deseado. En términos
generales el hormigón asfáltico genera es menos
ruidoso que el proveniente del cemento portland. Los
estudios de cinética y ruidos en firmes se remontan a
los años 1970s.
Asfalto dañado por efecto de una helada. Los países del
Norte de Europa gastan grandes cantidades de dinero en mantener su vías por el
efecto de las heladas.
Degradación Y Restauración Del Hormigón Asfáltico
El deterioro del asfalto puede incluir piel de cocodrilo, baches, roderas,
desconchones y hundimientos. En climas fríos el agua superficial puede congelarse
en las grietas y en los huecos del asfalto, presionando el firme y rompiéndolo. En los
climas cálidos la mezcla puede calentarse, fluyendo y generando huellas de
neumáticos (roderas) y baches.
Hay dos grupos de factores que pueden destrozar el asfalto:
Factores ambientales. Donde se incluye el calor, el frío, el agua y la radiación
solar (incluyendo la ultravioleta) que degradan el material de forma mecánica
o química.
Daño producido por el tráfico. El daño producido por el peso y el paso de
autobuses y camiones, que genera fatiga en el material.
También pueden haber accidentes puntuales por vertido de agentes químicos
(especialmente aceites) o quemas encima del asfalto que lo alteran.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILPrevención Y Reparación De Mezclas Asfálticas
La vida de una carretera puede ser prolongada mediante un buen diseño y llevando
a cabo buenas prácticas de mantenimiento y construcción. Durante el diseño los
ingenieros miden el tráfico en la carretera, poniendo especial atención en el volumen
y tipo de vehículos pesados (camiones, autobuses ...). Esto permite estimar la carga
que soportará la carretera en el futuro. Tanto el pavimento como el grosor de la
subbase están diseñados para soportar las cargas de ruedas. Algunas veces se
usan para reforzar la subbase ciertos drenajes internos para liberar el agua que
debilitaría las capas internas del firme.
Buenas prácticas de mantenimiento se centran en mantener el agua fuera del
pavimiento, la subbase y el terraplén. Manteniendo las cunetas limpias y los
drenajes operativos se puede extender la vida de una carretera sin necesidad de un
sobrecoste. Las pequeñas roturas por donde puede entrar el agua deberían ser
reparadas con rapidez, para evitar que conlleven una rotura mayor que destroce la
vía. Si el número de roturas se incrementa se requerirán reparaciones a mayor
escala. En orden de menor a mayor coste, se incluyen parches de asfalto, capas de
firme superiores, reciclaje en el sitio o levantamiento y reconstrucción total.
Es mucho más barato mantener una carretera en buenas condiciones que tener que
reconstruirla entera una vez que se haya deterioradas. Esta es la razón por la cual
muchas agencias estatales estadounidenses prefieren gastar recursos en mantener
las vías en buenas condiciones que reconstruir aquellas que estén en peores
condicione.
2.8 Pinturas, siliconas, resinas epóxicas, plásticas y polímeros.
Pinturas.
La pintura es el arte de la representación gráfica utilizando pigmentos mezclados
con otras sustancias aglutinantes orgánicas o sintéticas.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEn este arte se emplean técnicas de pintura, conocimientos de teoría del color y de
composición pictórica, y el dibujo. La práctica del arte de pintar, consiste en aplicar,
en una superficie determinada una hoja de papel, un lienzo, un muro, una madera,
un recorte de tejido, etc.
Una técnica determinada, para
obteneruna composición de formas, colores, texturas, dibujo, etc. dando lugar a
una obra de arte según algunos principios estéticos.
Existen actualmente varios tipos de pintura, cada una con sus respectivas
caracteristicas de uso, es decir las pinturas usadas en la construccion deben de
tener un listado de caracteristicas como por ejemplo la resitencia a temperaturas
elevadas, humedad entre otros.
Forma parte de este material “Pintura” varios liquidos con los que podemos mezclar
y conseguir una pintura mas fina en densidad, ya que este proceso aumenta el
volumen de la pintura y sirve tambien como acelerante de sacado por ejemplo el
diluyente.
Uno de los compuestos o liquidos mas usados en la mezcla de pintura es el agua,
este liquido proporciona volumenes mas altos para un rendimiento mas benefactorio
de la pintura.
Silicona
La silicona es un polímero inodoro e incoloro hecho principalmente de silicio. La
silicona es inerte y estable a altas temperaturas, lo que la hace útil en gran variedad
de aplicaciones industriales, como lubricantes, adhesivos, moldes,
impermeabilizantes, y en aplicaciones médicas y quirúrgicas, como
prótesis valvulares cardíacas e implantes de mamas.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILTambién se denomina silicona a la familia de compuestos químicos sintetizados por
primera vez en 1938. Frederick Kipping es el químico pionero en el estudio de
compuestos orgánicos que contiene moléculas de carbono y silicio y fue quien acuñó
el término silicona.
Se deriva de la roca de cuarzo y al ser calentado en presencia de carbono produce
silicona elemental. Dependiendo de posteriores procesos químicos, la silicona puede
tomar una variedad de formas físicas que incluyen aceite, gel y sólido.
Resinas epoxica
Una resina epoxi o poliepóxido es un polímero termoestable que se endurece
cuando se mezcla con un agente catalizador o «endurecedor». Las resinas epoxi
más frecuentes son producto de una reacción entre epiclorohidrina ybisfenol A.
Los primeros intentos comerciales de producción tuvieron lugar en 1927 en los
Estados Unidos. El mérito de la primera síntesis de una resina basada en bisfenol-a
lo comparten el Dr. Pierre Castan de Suiza y el estadounidense Dr. S. O. Greenlee
en 1936.
2.8.1 POLÍMEROS
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl estadounidense de origen belga L. H. Baekeland invento en 1909 la primera
sustancia plástica de fabricación sintética a la que se denominó “baquelita”. Este
descubrimiento señalo el principio de la industria de obtención de plásticos sintéticos
a gran escala cuya aplicación revoluciono la técnica y la vida cotidiana.
El termino Plástico, en su significación más general, se aplica a las sustancias de
distintas estructuras y naturalezas que carecen de un punto fijo de ebullición y
poseen durante un intervalo de temperaturas propiedades de elasticidad y
flexibilidad que permiten moldearlas y adaptarlas a diferentes formas y aplicaciones.
Sin embargo, en sentido restringido, denota ciertos tipos de materiales sintéticos
obtenidos mediante fenómenos de polimerización o multiplicación artificial de los
átomos de carbono en las largas cadenas moleculares de compuestos orgánicos
derivados del petróleo y otras sustancias naturales.
El vocablo plástico deriva del griego plásticos, que se traduce como moldeable. Los
polímeros, las moléculas básicas de los plásticos, se hallan presentes en estado
natural en algunas sustancias vegetales y animales como el caucho, la madera y el
cuero, si bien en el ámbito de la moderna tecnología de los materiales tales
compuestos no suelen encuadrarse en el grupo de los plásticos, que se reduce
preferentemente a preparados sintéticos.
2.8.2 Materiales de sellado
Un sellador, sellante o tapa poros es un material viscoso que cambia a estado sólido
una vez aplicado y que se utiliza para evitar la penetración de aire, gas, ruido, polvo,
fuego, humo o líquidos desde un sitio a otro a través de la barrera sellada.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILLos selladores ayudan al mantenimiento y cuidado de los inmuebles, la correcta
elección permite obtener mayores beneficios del producto, como: impermeabilidad,
elasticidad, rendimiento, durabilidad, acabados estéticos, etc.
Selladores de silicona
Los selladores que utilizan como componente principal la silicona están
desarrollados para: el sellado estructural en fachadas, estructuras, muros cortina,
etc.; como sello secundario en vidrio doble o aislado; juntas de expansión térmica en
carreteras de concreto; juntas a tope y sellos perimetrales; en la unión entre
materiales distintos (concreto y vidrio, concreto y metal, concreto con cancelería,
vidrio con metal, vidrio con vidrio, etc.) y, especialmente tienen una excelente
adherencia sobre policarbonato y PVC.
Algunas de las características que les hacen destacar frente a otros sellos son:
evitan la formación de hongos, lo que le hace de especial interés en el sellado de
juntas de cocinas y baños; al ser un material inorgánico duran más ya que resisten
los rayos UV; mantienen sus propiedades con el paso del tiempo (elasticidad,
capacidad de movimiento, fuerza de adhesión, etc); y son más elásticos que la
mayoría de los demás sellantes.
Selladores de poliuretano
Están elaborados con poliuretano y diseñados especialmente para sellar juntas y
grietas con movimientos fuertes y moderados en muros, cancelería, cisternas,
marcos de puertas y entre elementos prefabricados.
Entre las características que destacan en este tipo de sellantes encontramos: que
ofrecen una excelente adherencia sobre todo tipo de materiales como: hormigón,
madera, asbesto, cemento, acero, aluminio, vidrio, entre otros; se pueden pintar;
duran más y resisten a la intemperie; y son elásticos en algunas de sus variedades.
Selladores acrílicos
Utilizan como base para su fabricación los polímeros obtenidos del ácido acrílico. Se
utilizan como sellador de juntas de conexión, alrededor de ventanas, puertas,
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILtuberías de PVC, domos, etc., o grietas con muy bajos movimientos, en interior y
exterior, también se pueden colocar como relleno en grietas interiores y exteriores
(no pueden estar permanentemente en inmersión de agua).
Una de la mayores ventajas de estos selladores es que se aplican fácilmente con
una pistola de calafateo, fácilmente manejable y muy económica, y también cuentan
con una boquilla que permite distribuir el producto uniformemente y del ancho
adecuado.
2.8.3 Propiedades de la pintura
Rendimiento: Es la superficie que puede cubrirse con cierta cantidad de pintura.
Generalmente se habla de metros cuadrados por litro. El rendimiento mucho tiene
que ver con el tipo de pintura y las condiciones de la superficie a pintar. ¿Es posible
hacer rendir más la pintura?
Secado entre manos: O tiempo de secado entre manos, es el tiempo que debe
transcurrir para que puede aplicarse una nueva mano o capa de pintura. Si no se
respeta el secado entre manos la pintura puede cubrir menos, tener una menor
duración o no lograr una buena terminación.
Secado al tacto: Es el tiempo en el que tarda la pintura en secar superficialmente
pero no se trata de un secado completo. Si tocamos la pared o la superficie pintada
parece seca, pero todavía no se encuentra en condiciones para una nueva mano de
material.
Poder cubritivo: Es la capacidad de la pintura de cubrir o tapar el color del material
o pintura anterior. Con una pintura con alto poder cubritivo serán necesarias menos
manos para terminar el trabajo, siempre y cuando se aplique de manera correcta.
Resistencia a la intemperie: Cualidad de algunas pinturas de resistir a los
fenómenos atmosféricos como el sol, la humedad o la lluvia. Es una propiedad que
se valora en pinturas especiales para exteriores.
Resistencia a la abrasión: Los distintos materiales que están preparados para
resistir productos abrasivos como detergentes y otros que causarían daños en
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILpinturas convencionales. Las pinturas con gran resistencia a
la abrasión generalmente se usan en ámbitos industriales.
Resistencia a altas temperatura: Tienen esta característica pinturas que deben
soportar temperaturas mayores a la ambiental. Hay pinturas que pueden resistir
hasta 500º C.
Resistencia al tráfico o tránsito: Es una propiedad que se destaca en pinturas
para piso o suelos, por el desgaste obvio del tránsito de personas. Son materiales de
gran dureza y desgaste prolongado.
Resistencia a la limpieza: La constante limpieza puede generar rápidamente un
desgaste en la pintura en ciertos sectores. En estos casos se utilizan pintura con
buena resistencia al roce y fregado continuo.
Durabilidad: Esta es una propiedad que presumen todos los envases de pintura,
diciendo que se trata de una pintura con gran durabilidad es decir que conservará
sus propiedades a lo largo del tiempo. Solo el mismo lo hará saber.
Labilidad: Una pintura lavable es una pintura que admite una limpieza con agua
y elementos no abrasivos periódicamente, para quitar suciedad adherida, pero no
significa que resista una limpieza constante.
Terminación: Cuando se habla de terminación se hace referencia a el aspecto que
tendrá la pintura una vez halla secado. Suave, rugoso, aterciopelado, piel de
naranja, todas son posibles terminaciones de la pintura que dependen del tipo de
material y forma de aplicación.
Acabado o brillo: Puede confundirse terminación con acabado. Generalmente se
denomina acabado al brillo que tendrá la pintura una vez haya secado, que va desde
el opaco hasta el súper brillante.
No todas las pinturas poseen todas estas características o propiedades, sino que
difieren de acuerdo al uso específico de cada una de ellas.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL2.8.3.1 Comportamiento químico
Una pintura debe proporcionar al sustrato una protección frente a la corrosión.
Muchos recubrimientos son resistentes al agua y productos químicos, pero pueden
fallar por discontinuidad de la película. Los agentes químicos presentes en el medio
ambiente son: ácidos, álcalis, sales, agua e intemperie.
Ácidos: por lo general:
Su corrosividad aumenta con la concentración y la temperatura
Suelen afectar bastante al acero
Para proteger al sustrato se recomienda:
En inmersión: revestimientos sólidos de resinas vinílicas
Para no inmersión: pinturas vinílicas de elevado espesor
Álcalis: gran variedad (sosa caústica, cal...)
Sales: se comportan como ácidos o álcalis
Sales ácidas
Para inmersión se recomiendan revestimientos sólidos vinílicos.
Para no inmersión, habrá que eliminar los cristales de sal depositados en la
superficie, seguido de un lavado con agua dulce y con un chorreado abrasivo.
Sales neutras: fuerte corrosividad para el acero.
Para inmersión se recomienda silicato inorgánico de zinc, recubierto con resina
epoxi. En ocasiones recubrimientos sólidos.
Para no inmersión, recubrimientos inorgánicos de zinc
Sales alcalinas: tienen el mismo comportamiento que las anteriores.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILDisolventes: tienen una tendencia muy pronunciada a disolver los recubrimientos y
penetrar en los mismos. Los convencionales no son corrosivos.
Los productos vinílicos de dos componentes (epoxi) dan buen resultado; siendo la
mejor recomendación los recubrimientos inorgánicos de zinc.
2.8.3.2 Comportamiento físico
Permeabilidad: velocidad con la que puede migrar el agua a través de la película. La
velocidad disminuye al aumentar el espesor de la película. Influye en la formulación
de las pinturas, siendo importante seleccionar el material menos permeable.
Adherencia: íntimo contacto a nivel molecular o atómico de dos productos.
Importante para que la corrosión no progrese por debajo del sustrato y se mantenga
en un ambiente corrosivo. Depende de la relación entre el recubrimiento y el sustrato
El agua constituye una fuente de fallos cuando penetra a través del recubrimiento.
Debido a un proceso químico llamado ósmosis la penetración se acelera.
Las fuerzas térmicas también atacan la adherencia, especialmente cuando se han
formado películas muy gruesas a lo largo de varios años (desconchamiento)
Flexibilidad: se requiere cierto grado para que el recubrimiento pueda soportar
vibraciones, cambios de temperatura y deformaciones de las estructuras. Es
fundamental la resistencia al impacto.
Dureza: es la conjunción de varias cualidades físicas. Los ensayos que se realizan
son la resistencia al rayado y la dureza péndulo.
2.8.3.3 Resistencia a la abrasión
Cuando la pintura se aplica sobre superficies que soportan un intenso tráfico:
arrastre de objetos pesados o superficies expuestas al flujo de un líquido que
contiene materias sólidas en suspensión.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILLa resistencia a la abrasión, desgaste, o dureza de un agregado, es una propiedad
que depende principalmente de las características de la roca madre. Este factor
cobra importancia cuando las partículas van a estar sometidas a un roce continuo
como es el caso de pisos y pavimentos, para lo cual los agregados que se utilizan
deben estar duros.
índice de resistencia a la abrasión: Medida de la resistencia a la abrasión de un
material vulcanizado o un compuesto de goma sintética bajo condiciones
específicas.
resistencia a la abrasión: Propiedad que permite a un material resistir y mantener su
apariencia original al ser frotado con otro objeto; cualidad muy importante en
materiales de pavimentación y revestimiento.
linóleo: Material empleado para pavimentar suelos, a partir de aceite de linaza,
harina de corcho y colorante colocado sobre una base nivelada de arpillera o lona;
de bajo coste y poca resistencia a la abrasión.
pintura epoxi: Pintura que posee resina epoxídica como ligante, que incrementa la
resistencia a la corrosión, abrasión y a los productos químicos. También llamada
pintura epoxídica.
pintura epoxídica: Pintura que posee resina epoxídica como ligante, que incrementa
la resistencia a la corrosión, abrasión y a los productos químicos. También llamada
pintura epoxi.
resistencia a la flexión: Medida de la resistencia de un elemento o miembro
estructural a las fuerzas flectoras. También llamada resistencia a la tracción.
resistencia a la tracción: Medida de la resistencia de un elemento o miembro
estructural a las fuerzas flectoras. También llamada resistencia a la flexión.
abrasión: Proceso de desgaste y destrucción de la parte o del todo de un cuerpo u
objeto debido a su fricción.
aglomerante resinoso: Ligante que junto con otras resinas termoplásticas y, chinas o
lajas, forma un terrazo resistente a productos químicos y a la abrasión.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILbarniz de poliuretano: Barniz resistente a la abrasión y a los productos químicos, de
gran dureza.
capa de desgaste: Capa de árido que protege una lámina impermeable contra la
abrasión mecánica o la acción del viento.
ensayo de abrasión: Ensayo que se emplea para determinar el comportamiento de
cualquier material frente al desgaste que producirá un agente externo.
manguito aislador: Manguito fijado a la abertura de un conducto, empleado para
evitar la abrasión mecánica o el daño a un cable que pase a su través.
resistencia específica: En un conductor, resistencia por unidad de longitud de una
sección unitaria del mismo. También llamada resistividad.
resistividad: En un conductor, resistencia por unidad de longitud de una sección
unitaria del mismo. También llamada resistencia específica.
resistencia al cizallamiento: Propiedad de un terreno que le permite resistir el
desplazamiento entre las partículas del mismo al ser sometido a una fuerza externa.
También llamada resistencia al corte.
resistencia al corte: Propiedad de un terreno que le permite resistir el
desplazamiento entre las partículas del mismo al ser sometido a una fuerza externa.
También llamada resistencia al cizallamiento.
resistencia de aislamiento: Voltaje máximo al que puede exponerse un material sin
provocarle perforación alguna; expresado en voltios o kilovoltios por unidad de
grosor. También llamada resistencia dieléctrica.
resistencia dieléctrica: Voltaje máximo al que puede exponerse un material sin
provocarle perforación alguna; expresado en voltios o kilovoltios por unidad de
grosor. También llamada resistencia de aislamiento.
soldadura por resistencia: Soldadura realizada utilizando el calor producido por una
resistencia a la corriente eléctrica, y por aplicación de presión.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL2.8.3.4 Clases de pintura
Las pinturas se denominan, generalmente, por la naturaleza del aglutinante o
vehículo y también por el nombre del pigmento; las más corrientes son: pinturas a la
cal, silicato, fresco, cola o temple, al aceite u óleo, cera, asfálticas y celulósicas.
Pinturas a la cal
La pintura corriente a la cal, está formada por una lechada de cal grasa o con
pigmentos en proporción no mayor de 10 a 15 %. Se emplean lechadas claras,
dándose, por lo menos, dos manos cruzadas, con brochas grandes de blanquear o
aerógrafo. Si el hidrato está en exceso, se agrieta y descascara.
Pinturas al fresco
Se ejecuta sobre enlucidos convenientemente preparados y sin secar empleando
colores a la cal puestos en suspensión en vehículos o aglutinantes.
Las superficies a pintar al fresco se preparan con un primer enlucido hecho con
mortero de cal hidráulica o cal grasa y puzolana y arena silícea en la proporción de 1
: 3 y cuando ha fraguado, se aplica otro enlucido formado por una parte de cal grasa
apagada en polvo y dos partes de arena silícea fina y consistencia plástica.
Pintura al silicato
El vehículo de esta pintura es el silicato potásico o sódico (vidrio soluble) en
disolución acuosa a partes iguales, pudiéndose emplear todos los colores o
pigmentos menos los de plomo. Las manos sucesivas deberán ser más ricas en
silicato, pero teniendo la precaución de que no se formen superficies brillantes
porque se descascaran, debiendo ser disueltas con agua antes de que se seque o
fragüe.
Pintura a la cola o temple
Sólo se aplica en interiores y en especial para decoración de paredes y techos
enlucidos de yeso. Las primeras manos de imprimación se dan con agua de cola
caliente ligeramente teñida y luego la de color, teniendo presente que al secar esta
pintura baja mucho de tono; que si tiene exceso de cola, se descascara, y se
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILdesprende en forma de polvo; apreciando fácilmente si tiene la cantidad precisa de
cola, pintando un trozo y. pasando la mano no debe desprenderse.
Pintura al óleo
Son las pinturas que se preparan con aceites vegetales como vehículo o aglutinante,
siendo el más usado el de linaza. Para diluir se utiliza aguarrás, y como pigmento o
colores, aquéllos más convenientes según el objeto a cubrir. Las primeras manos de
imprimación, tanto para interiores como para exteriores, se suelen diluir con
aguarrás, pero las finales, para exteriores, deberán ser tan sólo con aceite de linaza
puro sin diluir.
Pinturas al Barniz o esmalte
Cuando se emplea el barniz como vehículo, y en el que se ponen en suspensión los
colores. Las primeras manos se diluyen con aguarrás, y en la última, sólo barniz. Se
mejora mucho esta pintura puliendo cada mano con lija fina.
Pinturas bituminosas o asfálticas
Las superficies recubiertas con esta pintura quedan muy brillantes, pudiendo
obtenerse mates agregando negro de humo. Es una de las mejores pinturas
protectoras de la oxidación del hierro y fundición, por su resistencia al agua,
conservándose bien en ausencia de luz y enterradas, como las tuberías de agua y
gas, esclusas, etc, y son incompatibles con las de óleo y cola.
Pinturas a la celulosa o al "Duco"
Son suspensiones coloidales de éteres celulósicos (nitrocelulosa o acetilcelulosa) en
líquidos muy volátiles, y los que se agregan substancias plastificantes, resinas y
pigmentos, para darle flexibilidad, brillo, adherencia, dureza y color.
Las pinturas celulósicas para madera no se pueden aplicar directamente por
absorber rápidamente los líquidos volátiles, debiendo ser preparada con una masilla
tapaporos basado en barnices transparentes celulósicos, conteniendo algo de
aceites vegetales y colas, alisándose después la superficie con lija.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILPinturas resistentes al calor o ignífugas
Se preparan pinturas que pueden resistir hasta 600 ºC., empleando como pigmento
polvo de aluminio o grafito y vehículos basado en aceites minerales, que con el calor
se queman más o menos, y el pigmento se une sólidamente al soporte. Se emplean
también cuerpos amónicos que, por la acción del calor, desprenden amoníaco
gaseoso, formando una capa aislante y ácido bórico, fosfato y silicato, que dan una
costra incombustible.
Pinturas resistentes a los ácidos y bases
Se fabrican con aceite de madera y 30 a 40 % de resinas sintéticas.
Pinturas antioxidantes
Son las que se emplean para proteger el hierro de la oxidación. Corrientemente se
preparan con minio de plomo en proporción de un 50 a 80 %, y aceite de linaza
cocido o aceite de madera, aplicados por extensión con brocha como primera mano
de imprimación, y después se aplican las otras manos
Pinturas luminosas
Comprenden los siguientes tipos reflejantes, fosforescentes y fluorescentes.
a. Pinturas reflejantes: Son las constituidas por perlas de vidrio de pequeño
diámetro, pegadas con un adhesivo y lanzadas con soplete sobre una superficie.
b. Pinturas fosforescentes: Son las que, expuestas a la luz visible siguen luminosas
en la oscuridad, debido a que devuelven la luz absorbida anteriormente, estando
constituidas por pigmentos radiactivos generalmente el bromuro de sodio y sulfuro
de cinc.
c. Pinturas fluorescentes: Emiten luz bajo la acción directa de radiaciones invisibles,
como los rayos ultravioleta (luz negra), rayos X, como las pantallas de radiografía y
tubos de alumbrado, y la iluminación cesa cuando lo hace la energía excitadora.
Pinturas plásticas
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEstán constituidas por una emulsión acuosa de resinas o materias plásticas que
secan por polimerización y de pigmentos inalterables a la luz dispersados en ella.
Se caracterizan por su gran poder cubridor, aun en paramentos húmedos, lavables;
una vez secas, dan bellos tonos mates o satinados, que no cambian con el tiempo y
son de gran duración.
2.8.3.5 Riesgos y normas sobre pinturas
Riesgos
• Exposición a agentes químicos
• Caídas de personas al mismo nivel
• Caídas de objetos a diferentes niveles
• Proyección de partículas
• Descargas eléctricas
Medidas preventivas
1° Las pinturas deben almacenarse en un lugar específico con ventilación para evitar
riesgo de incendio e intoxicaciones. Los recipientes deben estar perfectamente
cerrados.
2° No almacenar pinturas de diversos tipos. Se deben ordenar y etiquetar por tipo de
pintura los compartimientos destinados para ello.
3° Se deben tener las fichas técnicas de los materiales químicos empleados, en las
cuales se indique los riesgos y medidas preventivas en su almacenamiento y
empleo.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL4° Colocar avisos de ubicación del almacén y señalamientos de prohibido fumar,
riesgo de incendio, ingresar utilizando el equipo de protección personal.
5° Instalar un extintor de polvo químico seco al lado de la puerta de acceso al
almacén de pinturas, el cual deberá cubrir con las normas de seguridad que
apliquen.
6° Prohibir realizar trabajos de soldadura y oxicorte próximos a las actividades con
pinturas que utilicen insumos inflamables.
7ºEvitar la formación de atmósferas nocivas manteniéndose siempre ventilado el
local que se está pintando (ventanas y puertas abiertas).
8° En el caso de aplicación de pintura en sitios con riesgo de caída desde altura, se
tomarán las medidas recomendadas para esos casos que incluyen el uso de
cinturones de seguridad
9° Las actividades de limpieza de polvos en muros, raspados y lijados se debe
ejecutar bajo ventilación por corriente de aire.
10° La elaboración de mezclas de pinturas y solventes debe realizarse desde la
menor altura posible evitando salpicaduras y emanaciones.
11° Prohibir fumar o comer en los lugares en que se pinte con mezclas que
contengan disolventes orgánicos o tóxicos.
12° Los trabajadores que tengan contacto con disolventes orgánicos o tóxicos al final
de la labor realizar medidas de higiene personal de manos y caras, de igual manera
antes de la ingestión de alimentos.
Riesgos
Pinturas en Aceite
Es el nombre común dado a las pinturas que vienen en solvente orgánico.
Dependiendo del tipo de pigmento o resina utilizada para recubrir las superficies, se
puede encontrar una amplia variedad de “pinturas en aceite” (anticorrosivos,
esmaltes, lacas, barnices).
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILIncendio: El solvente orgánico es un thinner (mezcla de varios solventes orgánicos
como hidrocarburos alifáticos, aromáticos, cetonas, etc). Su composición y
propiedades son variables, según las propiedades deseadas para cada pintura.
Toxicidad: Los solventes orgánicos son depresores del sistema nervioso central.
Cuando se aplican pinturas de aceite (con brocha o pistola), se evapora el solvente
con la consecuente acumulación de vapores tóxicos e inflamables en el ambiente.
La mayoría de ingredientes de estas pinturas son muy irritantes para los ojos.
La inhalación de estos vapores puede causar dolor de cabeza, irritación de las
vías respiratorias, dificultad respiratoria, mareo, náuseas, debilidad, incoordinación
motriz, palidez y desmayo.
La aspiración de las nieblas de pintura por el sistema respiratorio puede causar
edema pulmonar que requiere atención médica inmediata debido al riesgo de muerte
por fallo respiratorio.
Por contacto con la piel puede causar irritación, resequedad y escamado.
La exposición a largo plazo (diaria, semanal...) puede causar daños serios en
elhígado y en los riñones. Sobre la piel causa dermatitis (resequedad, grietas,
enrojecimiento o heridas). También pueden producir alergias cutáneas y
respiratorias (dependiendo de los ingredientes y de la sensibilidad de las personas).
Pinturas en Agua
Las pinturas en agua (generalmente contienen resinas vinílicas o acrílicas), son poco
tóxicas. Los polímeros son sólidos muy estables por lo cual, al diluirlos en agua, no
se descomponen ni reaccionan fácilmente.
El peligro radica en que la pintura es una suspensión de partículas muy pequeñas,
incluyendo las resinas y los pigmentos, que al ingresar al organismo por inhalación,
pueden causar problemas respiratorios o enfermedades pulmonares, en especial
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILcuando se aplica en aerosol, porque las partículas se hacen aún más pequeñas y es
más fácil inhalarlas.
Si la exposición es crónica (diaria o semanal) los efectos respiratorios pueden ser:
rinitis crónica, asma bronquial crónica, bronquitis espasmódica o infiltración
eosinófila pulmonar. Estas manifestaciones se deben a la acción mecánica de las
partículas depositadas en las membranas mucosas o que penetran en el sistema
respiratorio.
Pinturas Electrostáticas
La pintura electrostática es un sólido opaco cristalino prácticamente insoluble en
agua no inflamable, compuesta por resina epóxica poliestérica (95-99%) y éster
poliglicídico (1-5%).
Las pistolas de pintura electrostática tienen boquillas cargadas que transfieren la
carga eléctrica a las gotas de pintura; éstas son atraídas por el objeto conectado a
tierra que se va a pintar. Las gotas son atraídas también por las ranuras y la parte
posterior del objeto a pintar, presentando un efecto conocido como “efecto de
enrollar”. En algunos procesos es el objeto en lugar de la boquilla al que se le
transfiere la carga. Para cargar los objetos se utilizan fuentes de energía directas.
Riesgo de descargas eléctricas
Debido al principio con que actúan las pistolas electrostáticas, el primer riesgo a
considerar es el de descargas eléctricas. Las pistolas manuales tienen boquillas de
seguridad que transportan una corriente muy baja (150 mA) a voltajes altos (30-
90kV).
Riesgos por la naturaleza química de la pintura
Contacto con los ojos: Causa irritación
Contacto con la piel: No se han identificado efectos significativos para la salud
Inhalación: Causa irritación respiratoria.
Ingestión: En pruebas con animales de laboratorio se han observado efectos
adversos tras ingestión repetida. Causa irritación gastrointestinal.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILOtros efectos:
No se han efectuado pruebas de toxicidad sobre este producto. Contiene el grupo
funcional epóxido; otros productos que contienen este grupo han sido estudiados
como causantes de efectos cancerígenos y reproductivos.
Peligros de incendio
No es combustible, pero altas concentraciones de polvo presentan riesgo potencial
de combustión o explosión.
Clasificación según la NFPA:
Salud: 2. Materiales que tras exposición intensa o continúa pero no crónica pueden
causar incapacidad o daños temporales.
Inflamabilidad: 0. Materiales que no arden
Reactividad: 0. Materiales normalmente estables, aún en condiciones de fuego.
Normas de pinturas
Las pinturas y los revestimientos le ponen color a nuestro mundo y su calidad, como
también la de barnices, lacas, tintas de impresión y materiales de los artistas, está
garantizada por las normas que desarrolla un antiguo comité de ASTM International.
Entre los más de 600 miembros del Comité D01 sobre pintura y revestimientos,
materiales y aplicaciones afines, cuyo origen data desde los primeros años de ASTM
International, hay representantes de 36 países que supervisan más de 650 normas.
La globalización ha cambiado el mundo de los negocios de varias maneras, y uno de
los resultados es que las normas del Comité D01 de ASTM se usan en todo el
mundo, especificando los pigmentos y la preparación de las superficies, y que se
usan para probar los componentes de los revestimientos y las propiedades de las
pinturas.
Para muestra basta un pincelazo: la norma D562
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEntre las normas destacadas del Comité D01 que se usan a nivel internacional, está
la D562, Método de prueba para determinar la consistencia de las pinturas midiendo
la viscosidad en unidades Krebs (KU) con un viscosímetro del tipo Sormer, que
determina la carga necesaria para producir cierta cantidad de revoluciones para una
paleta sumergida en pintura. La información guía a la comunidad de los
revestimientos a especificar pinturas y revestimientos y a controlar su consistencia.
El viscosímetro de Krebs, llamado así por su inventor original estadounidense, se
usa en las normas de ASTM International para pruebas de viscosidad de la pintura.
"No hay otras normas internacionales para hacer esta prueba y se usa de manera
generalizada para caracterizar las pinturas, ya que la viscosidad influye en la forma
de aplicar la pintura", dice Fletcher. Peters mencionan que una amplia base de datos
con información histórica sobre el uso del método tiene la ventaja adicional de poder
seguir comparando datos. "Es un método que responde a las necesidades de todo
el mundo", dice Peters.
El MOU de pintura de ASTM y la ISO
En el mercado internacional actual, la industria de la pintura está tratando de
armonizar las normas sobre el mismo tema tratadas por diferentes organizaciones,
con el objetivo de hacer normas más equivalentes en cuanto al aspecto técnico.
Miembros del Comité D01 y sus equivalentes de la International Organization for
Standardization (ISO, Organización Internacional para la Normalización), el Comité
Técnico 35 sobre pinturas y barnices, han participado en el trabajo de ambos
agrupaciones dedicado a desarrollar y revisar normas similares.
En 2001, para lograr más cooperación entre los dos grupos y eliminar la creación de
normas de la ISO y ASTM para la misma propiedad, el Comité Técnico 35 de la ISO
sobre pinturas y barnices y el Comité D01 firmaron un memorando de entendimiento
(MOU, por sus siglas en inglés). Según MOU, las normas similares, aunque no
necesariamente idénticas, propician la confusión del mercado, las contradicciones
entre las normas, aumenta los costos de las pruebas y de los recursos humanos y
exige una "actualización" constante para alinear las exigencias entre las dos normas.
Más normas del Comité D01 de uso internacional
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILFletcher menciona ejemplos de otras normas de ASTM con amplio uso internacional,
como aquellas para determinar la finura de grano (D1210 y D1316), para las copas
de viscosidad Ford y Zahn (D1200 y D4212) y para las máquinas revestidoras de
barra en espiral (D4147).1
Peters cita la norma D4400, Método de prueba para determinar la resistencia al
corrimiento de las pinturas usando un aplicador multicortes, que describe un
procedimiento simple y rápido para demostrar la resistencia al corrimiento en valores
numéricos para las observaciones. Dice que el aplicador es único y que la prueba de
ASTM les ayuda a los diseñadores de pinturas a equilibrar la resistencia al
corrimiento —la capacidad de la pintura de no correrse en la pared— con otro
atributo necesario llamado nivelación, que consiste en la capacidad de la pintura de
rellenar pequeñas imperfecciones.
Socios MOU de ASTM y Normas del D01
Una mirada al programa de memorandos de entendimiento de ASTM International,
que promueve la comunicación entre entes normalizadores nacionales y ASTM, y
alienta los sistemas de normalización y la facilitación del desarrollo de normas
nacionales, destaca aún más el uso de numerosas normas de pintura del D01 en el
mundo. A continuación brindamos algunos ejemplos.
Los socios MOU de ASTM en más de 30 países utilizan la D1613, Método de prueba
para determinar la acidez de solventes volátiles e intermediarios químicos utilizados
en las pinturas, barnices, lacas y productos relacionados. Desde los Países Bajos
hasta Nueva Zelanda, de Guatemala a Ghana y de Taiwán a Turquía, la norma
brinda un medio para evaluar el cumplimiento de las especificaciones a través de la
cuantificación de la acidez en compuestos orgánicos y mezclas de hidrocarburos.
2.8.3.6 Pinturas y el medio ambiente
Antes de pintar
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILPara que no sobren restos de pintura deberíamos calcular su cantidad, sin tener que
desechar restos innecesariamente. O de lo contrario, guardar correctamente lo que
sobre para utilizarlo en otra ocasión.
En general las pinturas al agua son mas convenientes, contienen menos
componentes químicos peligrosos, y no se utilizan diluyentes contaminantes durante
su manipulación o el lavado de las herramientas.
En lo posible deben evitarse pinturas que contengan plomo, mercurio o estaño de
tributyl. Éstas son consideradas desechos peligrosos y deben eliminarse de forma
responsable.
Durante el pintado
Evita lavar continuamente las herramientas de trabajo, para no arrojar demasiada
agua en desagües o alcantarillados.
Si se continuará con la tarea de pintura pueden guardarse brochas y rodillos, en una
bolsa plástica o sumergidos en diluyente, para mantenerlos húmedos y en
condiciones por unas horas.
Después de pintar Las pinturas al látex o plásticas pueden desecharse en la basura
siempre y cuando se encuentren secas. Para esto es posible acelerar el tiempo de
secado exponiéndola al sol destapada o mezclarla con arena.
Las pinturas al aceite, o con los contenidos de metales que se mencionaba
anteriormente, deben ser llevadas a un centro de residuos peligrosos.
Una de las mejores alternativas es donarla. En ciertas localidades hay centros de
recolección de pinturas, y allí se destinan a los sitios carenciados donde más se las
necesite.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILUnidad 3
3. MATERIALES COMPUESTOS
La combinación de materiales es con el objetivo de obtener la mejor combinación de
propiedades:
Ej.: La flexibilidad y peso de un polímero con la resistencia de una cerámica.
Principio de acción combinada.
Las mejores propiedades se obtienen por la combinación razonada de dos o
más materiales diferentes.
Materiales compuestos en la naturaleza:
Madera (fibras de celulosa flexible rodeadas y sostenidas por la lignina que es
rígida).
Huesos (Colágeno suave y el mieral duro y frágil apatita)
3.1 TIPOS DE MATERIALES COMPUESTOS
Tipos
Los materiales compuestos se suelen
clasificar por el tipo de refuerzo que usan.
Éste está incrustado en una matriz que une
los materiales. El refuerzo se usa para
fortalecer el compuesto. Por ejemplo, en
los ladrillos de lodo, el lodo es la matriz y la
paja el refuerzo. Los tipos de compuestos comunes incluyen aleatorio-fibra o
refuerzos de fibra corta, fibra continua o refuerzo de fibra larga, refuerzo particular,
refuerzo en escamas y refuerzo de relleno.
Ladrillos de lodo
Un tipo de material compuesto muy antiguo e inventado por los primeros humanos
es el ladrillo de lodo. Un ladrillo de lodo normal es fuerte y resistente a la
compresión, pero puede romperse al doblarse. La paja es un material con excelente
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILfortaleza de tensión, lo que significa que resiste los estiramientos. Al combinar
ambos, los primeros humanos pudieron crear bloques de lodo compuesto que
podían resistir el peso y la compresión, así como el estiramiento.
Concreto
El concreto es un material compuesto hecho con cemento, arena, piedras y agua.
Combinados, el concreto es más fuerte que cualquiera de estos materiales. El
concreto se usa mucho en la construcción de edificios y caminos.
Fibra de vidrio
La fibra de vidrio es un material hecho con pequeños trozos de vidrio sostenidos por
una resina u otro componente. En la industria automotriz, la fibra de vidrio es
importante para hacer parte de la carrocería. El cuerpo del auto se hace con varias
capas de fibra de vidrio, como la capa de cobertura de gel, la capa de tejido, esteras
y telas. El producto final es una carrocería fuerte y ligera a prueba de agua y
completa. La fibra de vidrio también puede ser un alternativa económica a otros
materiales.
Compuestos naturales
Los compuestos pueden encontrarse con facilidad en la naturaleza. La madera es un
ejemplo de un compuesto, pues las fibras de celulosa son unidas por una sustancia
llamada lignina. Estas fibras pueden encontrarse en el algodón y los hilos, pero el
poder de unión de la lignina hace que la madera sea mucho más fuerte. Otro
compuesto natural son las rocas y la arena, materiales que se usan en el concreto.
Las rocas son simplemente piedras más pequeñas unidas y la arena se forma con
granos pequeños.
Tejido de fibra de carbono.
En ciencia de materiales reciben el nombre de materiales compuestos aquellos
materiales que se forman por la unión de dos materiales para conseguir la
combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales.
Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILde rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la
corrosión, dureza o conductividad [1]. Los materiales son compuestos cuando
cumplen las siguientes características:
Están formados de 2 o más componentes distinguibles físicamente y
separables mecánicamente.
Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles
entre sí y separadas por una interfase.
Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las
propiedades de sus componentes (sinergia).
No pertenecen a los materiales compuestos, aquellos materiales polifásicos;
como las aleaciones metálicas, en las que mediante un tratamiento térmico se
cambian la composición de las fases presentes[2]
Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las
propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. Por ejemplo en la
industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al
impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas que rara
vez se dan juntas.
A pesar de haberse obtenido materiales con unas propiedades excepcionales, las
aplicaciones prácticas se ven reducidas por algunos factores que aumentan mucho
su costo, como la dificultad de fabricación o la incompatibilidad entre materiales.
La gran mayoría de los materiales compuestos son creados artificialmente pero
algunos, como la madera y el hueso, aparecen en la naturaleza.
Estructura
Aunque existe una gran variedad de materiales compuestos, en todos se pueden
distinguir las siguientes partes:
Agente reforzante: es una fase de carácter discreto y su geometría es
fundamental a la hora de definir las propiedades mecánicas del material.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Fase matriz o simplemente matriz: tiene carácter continuo y es la
responsable de las propiedades físicas y químicas. Transmite los esfuerzos al
agente reforzante. También lo protege y da cohesión al material.
3.2. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
Los materiales compuestos se pueden dividir en tres grandes grupos:
Materiales compuestos reforzados con partículas
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEstán compuestos por partículas de un material duro y frágil dispersas discreta y
uniformemente, rodeadas por una matriz más blanda y dúctil.
Tipos:
Compuestos endurecidos por dispersión.
Compuestos con partículas propiamente dichas.
Módulo elástico de materiales compuestos, Ec: -- dos aproximaciones.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILRegla de las mezclas: predice que el módulo elástico está comprendido entre un
máximo y un mínimo.
Materiales compuestos endurecidos por dispersión
El tamaño de la partícula es muy pequeño (diámetro entre 100 i 2500 μ). A
temperaturas normales, estos compuestos no resultan más resistentes que las
aleaciones, pero su resistencia disminuye con el aumento de la temperatura. Su
resistencia a la termo fluencia es superior a la de los metales y aleaciones.
Sus principales propiedades son:
La fase es generalmente un óxido duro y estable.
El agente debe tener propiedades físicas óptimas.
No deben reaccionar químicamente el agente y la fase.
Deben unirse correctamente los materiales.
Materiales compuestos reforzados con fibras
Son muy importantes tecnológicamente
Resistencia elevada y rigidez a baja densidad
Estas características se expresan mediante los parámetros
Resistencia específica – resistencia a la tracción/peso específico
Módulo específico – Módulo elástico/peso específico
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEj.: fibra de vidrio
Filamentos continuos de vidrio en una matriz polimérica
Resistencia debido a las fibras
El polímero únicamente las mantiene unidas.
Un componente suele ser un agente reforzante como una fibra fuerte: fibra de vidrio,
cuarzo, kevlar, Dyneema o fibra de carbono que proporciona al material su
resistencia a la tracción, mientras que otro componente llamado matriz, que suele
ser una resina como epoxy o poliéster, envuelve y liga las fibras, transfiriendo la
carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no están alineadas con las
líneas de tensión. También, a menos que la matriz elegida sea especialmente
flexible, evita el pandeo de las fibras por compresión. Algunos compuestos utilizan
un agregado en lugar de una matriz.
En términos de fuerza, las fibras (responsables de las propiedades mecánicas)
sirven para resistir la tracción, la matriz (responsable de las propiedades físicas y
químicas) para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes sirven
para resistir la compresión, incluyendo cualquier agregado.
Los golpes o los esfuerzos cíclicos pueden causar que las fibras se separen de la
matriz, lo que se llama delaminación.
Materiales en fibras
Filamentos – Mono cristales muy delgados – su largo es grande comparado con su
diámetro
grafito, SiN, SiC
Alta perfección cristalina– extremadamente fuertes
very expensive
Fibras
poli cristalinas or amorfas
generalmente polímeros o cerámicos
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL Ex: Al2O3 , Aramid, E-glass, Boron, UHMWPE
Alambres
Metales – acero, Mo, W
5Alineación de la fibras
Materiales compuestos estructurales
Laminas reforzadas con fibras apiladas y unidas
Secuencia de apilamiento: e.g., 0°/90°
Beneficios: balanceo, rigidez en el plano
Panel sándwich con núcleo en forma de
panal.
Baja densidad, núcleo de panal
Beneficio: bajo peso, rigidez de flexión
alta.
Están formados tanto por compuestos como por materiales sencillos y sus
propiedades dependen fundamentalmente de la geometría y de su diseño. Los más
abundantes son los laminares y los llamados paneles sándwich.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILLos laminares están formadas por paneles unidos entre si por algún tipo de adhesivo
u otra unión. Lo más usual es que cada lámina esté reforzada con fibras y tenga una
dirección preferente, más resistente a los esfuerzos. De esta manera obtenemos un
material isótropo, uniendo varias capas marcadamente anisótropas. Es el caso, por
ejemplo, de la madera contrachapada, en la que las direcciones de máxima
resistencia forman entre sí ángulos rectos.
Los paneles sándwich consisten en dos láminas exteriores de elevada dureza y
resistencia, (normalmente plásticos reforzados, aluminio o incluso titanio), separadas
por un material menos denso y menos resistente, (polímeros espumosos, cauchos
sintéticos, madera balsa o cementos inorgánicos). Estos materiales se utilizan con
frecuencia en construcción, en la industria aeronáutica y en la fabricación de
condensadores eléctricos multicapas.
Ejemplos de materiales compuestos
Plásticos reforzados con fibra:
o Clasificados por el tipo de fibra:
Madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina y
hemicelulosa)
Plástico reforzado de fibra de carbono o CFRP o
Plástico reforzado con vidrio (GRP, GFRP o, informalmente,
"fibra de vidrio")
o Clasificados por la matriz:
Termoplásticos reforzados por fibra larga.
Termoplásticos tejidos de vidrio.
Compuestos termoformados o termoestables.
Compuestos de matriz metálica o MMCs:
o Cermet (cerámica y metal).
o Fundición blanca.
Metal duro (carburo en matriz metálica)
o Laminado metal-intermetal.
Compuestos de matriz cerámica:
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILo Hormigón/Concreto
o Carbono-carbono reforzado (fibra de carbono en matriz de grafito).
o Hueso (matriz ósea reforzada con fibras de colágeno)
o Adobe (barro y paja)
Compuestos de matriz orgánica/agregado cerámico
o Madreperla o nácar
o Concreto asfáltico
Madera mejorada
o Contrachapado
o Tableros de fibra orientada (OSB).
o Trex
o Weatherbest (fibra de madera reciclada en matriz de polietileno)
o Pycrete (aserrín en matriz de hielo)
Procesos de fabricación
Moldeo SMC
Moldeo por proyección
Moldeo por vía húmeda ó contacto
Apilado por bolsa de vacío
Resine Transfer Moulding, RTM
Vacuum Assisted Resine Transfer Moulding, VARTM
Resine Infusion Moulding, RIM
Filament Winding
Fiber Placement
Pultrusión
Automatic Tape Laying, ATL
Eb curing
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL3.2.1Clasificación según la forma de los constituyentes
Composites fibrosos: el refuerzo es una fibra, es decir, un material con una
relación longitud-diámetro muy alta. Las fibras pueden ser continuas o discontinuas
(estas últimas pueden ser aleatorias o unidireccionales). Ejemplo: epoxi con fibra de
vidrio.
Composites particulados: el refuerzo son partículas equiaxiales, es decir, las
dimensiones de las partículas son aproximadamente iguales en todas las
direcciones. Ejemplo: caucho reforzado con negro de humo.
Composites estructurales: son materiales constituidos por la combinación de
materiales compuestos y materiales homogéneos. Se clasifican a su vez en
materiales laminados (constituidos por apilamiento de láminas paralelas) o paneles
sándwich (compuestos de núcleo y tapas)
3.2.2 Clasificación según la naturaleza de los constituyentes
Composites de matriz orgánica (polímeros).
- presentan baja densidad
- posibilidad de obtención de piezas complicadas
- son los más utilizados en la actualidad
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEntre sus desventajas se incluye la poca resistencia frente al fuego.
Composites de matriz metálica (aleaciones de aluminio, titanio y magnesio)
- mayor duración
- elevada conductividad térmica y eléctrica
- no absorben humedad
- mayor resistencia al desgaste
Su principal desventaja es su alto precio
Composites de matriz mineral (cerámica): alúmina, CSi (carburo de silicio), etc.
Destacan porque resisten temperaturas elevadas y su principal desventaja su
fragilidad y baja resistencia a choques térmicos.
3.2.3 Clasificación según el tamaño de la fase dispersa
Microcomposites o composites convencionales: el tamaño del refuerzo es del
orden de la micra (10-6 m). A pesar de las mejores propiedades mecánicas de estos
composites, también presentan problemas:
- dificultad de procesado
- no se pueden procesar para obtener láminas o fibras
Estos problemas son consecuencia de la diferencia de tamaño entre el refuerzo y los
componentes de la matriz (cadenas de polímero en el caso de los composites de
matriz orgánica). Esta diferencia da lugar a interacciones débiles entre la matriz y la
interfase.
Para evitar este problema y mejorar las interacciones se ha desarrollado un nuevo
tipo de composite:
Nanocomposites: el tamaño del refuerzo es del orden del nanómetro (10-9 m=10-
3micras). En este caso, las interacciones matriz-refuerzo se dan a nivel molecular.
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3.3 Aplicaciones y limitaciones de los materiales compuestos
Las aplicaciones actuales exigen materiales de baja densidad y buenas propiedades
mecánicas (elevada rigidez y resistencia). Esta combinación de propiedades no se
puede conseguir con los materiales convencionales: metales, polímeros y
cerámicos. El desarrollo de los composites ha permitido la mejora de las
propiedades de los materiales.
Ventajas que presentan los materiales compuestos
- Alta resistencia específica (resistencia/densidad) y rigidez específica
(rigidez/densidad)
- Posibilidad de adaptar el material el esfuerzo requerido gracias a la anisotropía
Los materiales compuestos de matriz polimérica se utilizan en la industria
automovilística, naval, aeronáutica, aeroespacial, electrónica, de material deportivo y
de la construcción, reemplazando a los metales y otros materiales en muchas
aplicaciones.
Perfiles
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Tubos
Techo de tractor (PP y fibra de vidrio)
Frente de camión (Resina poliéster y fibra de vidrio)
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Postes de tendido eléctrico (Resina poliéster y fibra de
vidrio)
Bote de fibra poliéster y fibra de vidrio
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Avión espía no tripulado (Resina epoxi y fibra de carbono)
3.4 Materiales compuestos de matriz orgánica
Las propiedades mecánicas de un material compuesto dependen de las propiedades
de sus componentes, fibra y matriz y de la unión entre ambas, es decir, de la
interfase. Es especialmente importante: a unión entre fibra y matriz
la transmisión de esfuerzos mecánicos entre ambas
Para obtener el material compuesto la matriz debe estar en estado fluido e
impregnar bien el refuerzo. De esta forma, se consigue una buena unión en la
interfase.
La impregnabilidad o mojado se define como la capacidad de un líquido para
extenderse por una superficie sólida. Una buena impregnabilidad significa que la
matriz fluirá perfectamente por la superficie del refuerzo y desplazará todo el aire.
Como medida matemática de la impregnabilidad se puede considerar el ángulo de
contacto, q, ángulo que forma con la superficie sólida.
Matrices. Generalidades
La matriz cumple varias funciones en el material compuesto:
Su función principal es soportar la carga aplicada y transmitirla al refuerzo a través
de la interfase. Para ello la matriz debe ser deformable
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILProteger las fibras del medio externo y mantenerlas unidas. Esta función requiere
una buena compatibilidad entre matriz y refuerzo.
Las matrices poliméricas pueden ser termoestables o termoplásticas en función
de si presentan o no reticulaciones:
Las matrices termoestables presentan uniones covalentes formadas en la reacción
de reticulación o curado. Estas matrices presentan las siguientes características.
Son fáciles de procesar antes del curado debido al bajo peso molecular de las
resinas precursoras o prepolímeros.
Debido a la formación de reticulación son más tenaces.
Son más frágiles que las termoplásticas.
Las matrices termoplásticas no tienen uniones permanentes entre cadenas porque
no reticulan. Estas matrices presentan las siguientes características.
Son más difíciles de procesar ya que deben tener un alto peso molecular para
presentar buenas propiedades mecánicas.
Se pueden reciclar ya que se reblandecen al calentar y vuelven a la forma sólida al
enfriarlos.
Matrices termoestables
Las resinas termoestables son aquellas que sufren una serie de reacciones
químicas, llamadas de curado o reticulación, dando lugar a un producto rígido,
insoluble e infusible. La obtención de matrices termoestables se da en dos etapas:
a) En la planta química se polimeriza parcialmente el monómero formando cadenas
lineales.
b) En la planta de producción donde se completa la reticulación bajo calor y presión.
Resinas de poliéster insaturado
Son las más utilizadas en la fabricación de composites de uso general. La obtención
de estas resinas insaturadas se lleva a cabo en dos pasos:
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL1) Policondensación: se produce por la reacción de un diol y dos ácidos
dicarboxílicos. Uno de los ácidos debe presentar instauraciones y si el otro es
saturado la resina tendrá mayor flexibilidad.
2) Reticulación con estireno. La resina preparada en la etapa anterior se impregna
con estireno que se adiciona a los dobles enlaces teniendo lugar la reticulación.
La reticulación se lleva a cabo con un iniciador (generalmente peróxidos) y un
acelerador (sales de cobalto). Los iniciadores son moléculas que se descomponen
por la acción del calor o de la luz dando especies muy reactivas denominadas
radicales. Estos radicales reaccionan con una molécula de poliéster o estireno
dando lugar a nuevos radicales produciéndose una reacción en cadena.
Estas matrices presentan las siguientes ventajas:
Son fáciles de procesar ya que se pueden reticular incluso a temperatura ambiente)
Poseen buena resistencia química
Tienen bajo precio
Entre sus desventajas destacan:
Su contracción en el curado es elevada
La reacción de curado es altamente exotérmica y esto puede generar daños en el
material.
En la reticulación se producen elevadas emisiones de estireno
Las propiedades mecánicas son medias
Resinas vinil-éster
La obtención de estas resinas insaturadas se lleva a cabo también en dos pasos:
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL1) Policondensación: se produce por la reacción de una resina epoxi y ácidos
acrílicos o metacrílicos, que proporcionan la instauración.
2) Reticulación con estireno. La resina obtenida en la etapa anterior se hace
reaccionar con estireno que se adiciona a los dobles enlaces teniendo lugar la
reticulación.
Estas matrices presentan las siguientes ventajas:
Se caracterizan por su buena resistencia química y a la corrosión
Presentan una buena capacidad de adhesión
Entre sus desventajas destacan:
Su precio es más elevado que el de las resinas de poliéster
Resinas fenólicas
La reticulación se produce por condensación entre un grupo fenólico y formaldehído,
generándose agua como producto residual. El agua debe eliminarse ya que puede
dar lugar a defectos en la pieza final por formación de grietas o poros.
Existen dos grandes grupos de resinas fenólicas:
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILa) Novolacas: la relación molar entre fenol y formaldehído es mayor que uno, y se
trabaja en medio ácido.
b) Resoles: la relación molar entre fenol y formaldehído es menor que uno, y se
trabaja en medio básico.
Estas matrices presentan las siguientes ventajas:
Dan lugar al retardo de la llama y a una baja emisión de humo y gases tóxicos.
Entre sus desventajas destacan:
Se forma agua durante el curado que hay que eliminar para evitar defectos en las
piezas
Las propiedades mecánicas son bajas
Resinas epoxi
Una resina epoxi o poliepóxido es un polímero termoestable que se endurece
cuando se mezcla con un agente catalizador o «endurecedor». Las resinas epoxi
más frecuentes son producto de una reacción entre epiclorohidrina y bisfenol A. Los
primeros intentos comerciales de producción tuvieron lugar en 1927 en los Estados
Unidos. El mérito de la primera síntesis de una resina basada en bisfenol-a lo
comparten el Dr. Pierre Castan de Suiza y el estadounidense Dr. S. O. Greenlee en
1936. El trabajo del suizo fue licenciado por la compañía química Ciba-Geigy,
también suiza, que se convirtió rápidamente en uno de los tres mayores fabricantes
mundiales de resinas epoxi, comercializándolas bajo el nombre de Araldite; aunque
a finales de los años 1990 abandonó ese negocio. El trabajo del Dr. Greenlee fue a
parar a una compañía pequeña, que luego fue comprada por Shell.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEstas matrices presentan las siguientes ventajas:
Las propiedades mecánicas son excelentes
El grado de contracción durante el curado es bajo
Su resistencia térmica es elevada
Entre sus desventajas destacan:
Su elevado precio
El curado de la resina es lento
Matrices termoplásticas
Están constituidas por moléculas lineales unidas por enlaces sencillos. Tienen una
temperatura por encima de la cuál empiezan a fluir y al enfriarlos por debajo de esa
temperatura vuelven a su estado sólido.
El procesado de los termoplásticos consta de una fase de calentamiento para
ablandar el material y realizar el moldeo y una fase de enfriamiento posterior para
endurecerlo una vez moldeado en su forma apropiada.
Las matrices termoplásticas se caracterizan por presentar las siguientes
propiedades mecánicas:
Ventajas:
Buena resistencia química
Baja absorción de humedad
Buenas propiedades mecánicas
Velocidad de producción elevada debido a la menor duración del ciclo de moldeo
Las piezas se pueden reparar fácilmente al reblandecer las piezas por efecto del
calor y unir las partes
Se pueden reciclar
Admiten el almacenamiento ilimitado frente a las termoestables que deben
almacenarse en condiciones controladas de temperatura y humedad.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEntre los inconvenientes de las matrices termoplásticas destacan:
Tendencia a la fluencia a temperaturas elevadas
Para tener buenas propiedades mecánicas el peso molecular debe ser elevado y por
lo tanto, la viscosidad también. Esto da lugar a que la impregnación de las fibras sea
difícil.
Requieren temperaturas y presiones elevadas para su moldeo
A pesar de sus desventajas, en la actualidad las matrices termoplásticas están
sustituyendo a las termoestables debido sobre todo a su reciclabilidad.
3.4.1 FIBRAS
La fibra se conforma de hebras delgadas hechas a base de sílice o de formulaciones
especiales de vidrio, extruidas a modo de filamentos de diámetro diminuto y aptas
para procesos de tejeduría. La técnica de calentar y elaborar fibras finas a partir de
vidrio se conoce desde hace milenios; sin embargo, el uso de estas fibras para
aplicaciones textiles es mucho más reciente: sólo hasta ahora es posible fabricar
hebras y fibras de vidrio almacenadas en longitudes cortadas y estandarizadas.
Generalidades
El gran desarrollo impulsado en la tecnología del hormigón se ha servido del uso de
fibras de distintos materiales (metálicos, vítreos y sintéticos) que incrementan en
gran medida la resistencia del material, aportándole una mayor tenacidad y
mejorando su comportamiento mecánico.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILLa incorporación de fibras sintéticas permite a los hormigones mayores
prestaciones, aumentando su módulo de elasticidad con estructuras más ligeras y
mejorando su resistencia a la tracción. Con ello se previenen posibles fisuras y se
aumenta la resistencia frente a los impactos.
3.4.2 Tipos de fibras
Fibras de acero
Fibras de acero según proceso de fabricación
Las fibras de acero pueden clasificarse según su proceso de fabricación, a saber:
Virutas de Acero
Fibras de acero Fundidas
Fibras Cortadas en Láminas
Fibras Trefiladas
Fibras de acero según su forma
Según su forma pueden ser:
Fibras Rectas
Fibras Corrugadas
Fibras Onduladas
Fibras Conformadas (adquiriendo formas diferentes según necesidades), otras.
La forma de las fibras de acero es muy importante para mejorar la adherencia con
el hormigón.
Las fibras más delgadas permiten que la distancia entre las mismas se reduzca
formando una red o trama densa que aumenta y mejora notablemente la resistencia.
Para su empleo es conveniente que tengan una longitud mínima dos veces mayor
que el árido de mayor tamaño. Las longitudes más usadas son de 2,5 a 3 veces ese
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILtamaño. También ha de considerarse que las fibras posean una longitud menor a 2/3
del diámetro del tubo de bombeo.
Fibras Poliméricas
Estas fibras sintéticas están formadas por diferentes materiales poliméricos
extrusionados y luego cortados, a saber:
Polipropileno
Polietileno de Alta Densidad
Alcohol de Polivinilo
Aramida
Poliamida
Poliéster
Estas fibras pueden adicionarse en forma homogénea a hormigones y morteros.
Fibras poliméricas según proceso de fabricación
Pueden clasificarse según su proceso de fabricación en:
Monofilamentos Extruídos
Láminas Fibriladas
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILFibras poliméricas según su diámetro
Microfibras: diámetro menor a 0,30 mm.
Sirven en forma óptima para reducir las fisuras originadas en la retracción plástica
del hormigón (empleadas en soleras y pavimentos). Presentan mejor
comportamiento frente a las llamas, usando en estos casos, un mayor número de
fibras por unidad de peso.
Macrofibras: diámetro mayor a 0,30 mm.
Estas macrofibras pueden colaborar estructuralmente. Sus longitudes van entre 20 y
60 mm, teniendo en cuenta que deben ser 3 veces el tamaño del máximo árido.
Fibras de vidrio
Las fibras de vidrio se emplean con muy buenos resultados en medios alcalinos por
su elevada resistencia a los álcalis. Tienen muchas aplicaciones que van desde
paneles construidos con hormigón proyectado a prefabricados estructurales
diversos.
Las fibras de vidrio en el hormigón pueden generar reducciones notables en la
resistencia y tenacidad del material cuando son expuestas al medio ambiente, debe
protegerse tanto la fibra como su matriz cementosa. Al proteger las fibras en forma
superficial con un producto epoxídico, se consigue reducir la fragilidad de este
compuesto.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILA lo largo de la historia los vidrieros ensayaron la fibra de vidrio, pero la manufactura
masiva de este material sólo fue posible con la invención de máquinas herramienta
más refinadas. En 1893, Edward Drummond Libbey exhibió un vestido en
la Exposición Universal de Chicago que tenía fibra de vidrio con filamentos
del diámetro y la textura de una fibra de seda. Fue usado por primera vez
por Georgia Cayvan, una actriz de teatro muy conocida en aquella época. Las fibras
de vidrio también se pueden formar naturalmente y se les conoce como "Cabellos de
Pelé".
Sin embargo la lana de vidrio a la que hoy se llama comúnmente fibra de vidrio no
fue inventada sino hasta 1938 por Russell Games Slayter en la Owens-
Corning como un material que podría ser usado como aislante en la construcción de
edificios. Fue comercializado bajo el nombre comercial Fiberglas, que se convirtió
desde entonces en una marca vulgarizada en países de habla inglesa.
La fibra de vidrio se conoce comúnmente como un material aislante. También se usa
como un agente de refuerzo con muchos productos poliméricos; normalmente se
usa para conformar Plástico Reforzado con Vidrio (GRP) que por metonimia también
se denomina fibra de vidrio, una forma de material compuesto consistente
en Polímero Reforzado con Fibra (FRP). Por lo mismo, en esencia exhibe
comportamientos similares a otros compuestos hechos de fibra y polímero como
la fibra de carbono. Aunque no sea tan fuerte o rígida como la fibra de carbono, es
mucho más económica y significativamente menos quebradiza.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILDe gran resistencia a tracción, dura, resistente a los ataques químicos y flexibles. Se
elaboran a partir de la sílice (del 50% al 70% de su composición) y se le añaden
otros componentes en función de las propiedades deseadas, distinguiéndose:
Vidrio-e: para aplicaciones generales.
Vidrio-s: para mayor resistencia y rigidez.
Vidrio-c: para estabilidad química.
Vidrio-m: para muy alta rigidez.
Vidrio-d: para muy baja constante dieléctrica.
Fibras de carbono: de muy alta resistencia y rigidez, por la estructura cristalográfica
del grafito. Se distinguen los siguientes tipos:
De muy alto módulo (para aplicaciones que requieran
rigidez,500 GPa de Módulo elástico)
De alto módulo (400 GPa)
De módulo intermedio (300 GPa)
De alta resistencia (200 GPa)
Fibras cerámicas: de cuarzo o sílice. Flexibles y con muy bajo alargamiento y gran
resistencia la choque térmico. Se utilizan en estructuras radio transparentes.
Fibras orgánicas: obtenidas a partir de polímeros. La más utilizada es el KEVLAR
(POLIARAMIDA) de fibras con las siguientes características:
Muy rígidas.
Coeficiente de dilatación térmica longitudinal nulo
Baja densidad.
Radio transparente.
Con excelente resistencia al impacto.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILFibras metálicas: de aluminio, acero y titanio, más densas que las anteriores, y de
elevado coste.
Presentación de las fibras Independientemente del tipo de material en que estén
hechas, las fibras pueden presentarse en forma de:
Hilos: conjunto de fibras asociadas en un cilindro de diámetro uniforme y longitud
indefinida.
Dos o más hilos se pueden retorcer sobre sí mismos y formar hilos más gruesos.
Su densidad se expresa como el peso en gramos de 9.000 metros de hilo
(DERNIER).
Su resistencia, denominada tenacidad, se mide en gramos por DERNIER.
Diversas formas de presentación de los hilos:
a) uno o más filamentos continuos
b) filamento no continuo o fibras cortadas
c) filamento continuo, unido sin torsión
d) hilos simples o doblados, retorcidos juntos
e) muchos hilos doblados juntos.
Cintas: hilos dispuestos paralelos en forma unidireccional.
Sólo se presentan en forma de pre impregnados, en los que el refuerzo viene
impregnado en resina sin polimerizar en estado semilíquido y sirve como ligante de
los hilos.
Fieltros: hilos continuos o cortados depositados de forma multidireccional,
aleatoriamente.
Tejidos: productos en los que los hilos se entrelazan perpendicularmente.
Según la forma de cruzarse, los tejidos se denominan:
TAFETÁN
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL ESTERILLA
SEMIESTERILA
SARGA
RASO
SATÉN DE ESPIGUILLA
Preimpregnados
Son materiales compuestos formados por el refuerzo, impregnado con una resina
termoestable que polimeriza bajo unas determinadas condiciones.
En estos casos, la resina se encuentra en un estado intermedio de curado y precisa
de un procesado final para su completa polimerización y reticulación.
En el pre impregnado, además de:
el tipo de resina que va a formar la matriz.
el tipo de refuerzo (material y presentación) es necesario conocer también:
Contenido, en porcentaje total de peso, de la resina.
Es un dato muy importante, pues durante el proceso de curado no se podrá añadir
más cantidad de resina y, aunque es posible eliminar parte de ella (lo que se conoce
como "sangrado siempre resulta poco conveniente debido a la dificultad de
determinar la cantidad exacta que realmente "sangra")
Estos materiales deben almacenarse en condiciones especiales de temperatura y
humedad (a temperaturas bajo cero) para evitar el curado de forma indeseada.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL3.6 Materiales compuestos de matriz inorgánica.
La matriz cumple varias funciones en el material compuesto:
Su función principal es soportar la carga aplicada y transmitirla al refuerzo a través de la interface.
Para ello la matriz debe ser deformable
Proteger las fibras del medio externo y mantenerlas unidas. Esta función requiere una buena compatibilidad entre matriz y refuerzo.
Las matrices poliméricas pueden ser termoestables o termoplásticas en función de si presentan o no reticulación:
Las matrices termoestables presentan uniones covalentes formadas en la reacción de reticulación o curado. Estas matrices presentan las siguientes características.
Son fáciles de procesar antes del curado debido al bajo peso molecular de las resinas precursoras o pre polímeros.
Debido a la formación de reticulación son más tenaces.
Son más frágiles que las termoplásticas.
Las matrices termoplásticas no tienen uniones permanentes entre cadenas porque no reticulan. Estas matrices presentan las siguientes características.
Son más difíciles de procesar ya que deben tener un alto peso molecular para presentar buenas propiedades mecánicas.
Se pueden reciclar ya que se reblandecen al calentar y vuelven a la forma sólida al enfriarlos.
Introducción a los materiales compuestos. Un material compuesto es un sistema integrado por una mezcla o combinación de dos o más micro o macroconstituyentes que difieren en forma y composición química y que son esencialmente insolubles entre si. Es importante destacar la escala de longitudes donde se trata la microestructura (entre 10-7 y 10-4 m ≡ 0.1 μm y 100 μm), macroestructura (> 10-3 m ≡ >1 mm) y la nanoestructura (o estructura atómica) [< 10-8 m ≡ < 10 nm ≡ < 100 Å].
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILLa importancia ingenieril de los materiales compuestos es muy grande ya que se combinan las propiedades y prestaciones de los materiales constituyentes cuando se diseña y se fabrica el material compuesto correctamente. La mayor parte de los materiales compuestos están formados por dos o más fases, una matriz continua que rodea a las demás fases que se denominan fases dispersas y que se clasifican en función de su microestructura o geometría. La microestructura de la fase dispersa incluye la forma, tamaño, distribución y orientación de las partículas. Cuando se dan las proporciones de material matriz y material disperso hay que distinguir claramente entre relaciones en peso o en volumen ya que las densidades de estas fases pueden ser muy diferentes. Por esto, concentraciones de material fibroso dispersado en una matriz del 50 % en volumen puede equivaler a una concentración muy diferente en % en peso.
Un ejemplo de material compuesto conocido por todos y presente universalmente en la naturaleza es la madera. Aunque hay maderas muy diferentes y con propiedades mecánicas y de conducción de fluidos muy variadas tienen en común una matriz celulósica reforzada con fibras de lignina (y otros compuestos orgánicos) que le dan las buenas propiedades de elasticidad y deformación sin ruptura, típica de la madera. En un sentido amplio, los aceros con microestructura perlítica (p. ej. matriz de ferrita proeutectoide con perlita) o las fundiciones grises (escamas de grafito en una matriz de ferrita y perlita) se pueden considerar como materiales compuestos.Basados en el criterio de la naturaleza de la microestructura de la fase dispersa para la clasificación de los materiales compuestos se pueden establecer tres grandes grupos: 1) compuestos reforzados con partículas, 2) compuestos reforzados con fibras, 3) compuestos estructurales. A su vez, estos grupos presentan subdivisiones. Los materiales compuestos estructurales presentan una combinación de materiales homogéneos y las propiedades dependen más de la geometría del diseño de los elementos estructurales que de la naturaleza de los materiales constituyentes. Estas capas de materiales suelen ser laminares o sandwiches y son muy anisotrópicos. Por ejemplo, la madera contrachapada es un ejemplo común. Un ejemplo de estructura laminar relativamente compleja son los esquís modernos. Existen otra clasificación de materiales compuestos en función de la naturaleza de la matriz: 1) Compuestos de matriz metálica (MMC); 2) Compuestos de matriz cerámica (CMC); 3) Compuestos de matriz polimérica (PMC). Estos últimos son los de mayor importancia tecnológica principalmente cuando están reforzados con fibras. Así hay diferentes acrónimos como: CFRP “Carbon Fiber Reinforced Plastic”, BFRP “Boron Fiber Reinforced Plastic”, GFRP “Glass Fiber Reinforced Plastic”, AFRP “Aramid Fiber Reinforced Plastic”. Para dar una idea del uso cada vez mayor de los materiales compuestos ligeros basta decir que el avión de combate F-14 construido en 1970 tenía ~ 4 % en peso de materiales compuestos mientras que el jet comercial Avtek 400, de 1985, tenía ~ 80 % en peso de materiales compuestos.Materiales compuestos reforzados con partículas.
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A su vez estos materiales se clasifican en materiales reforzados con partículas grandes y otros consolidados por dispersión. El término “grande” se utiliza para indicar las interacciones entre la matriz y las partículas a un nivel ∼ macroscópico. El material compuesto reforzado con partículas grandes más común es el hormigón. Las partículas son la arena o grava en una matriz cerámica compuesto por silicatos y aluminatos hidratados. El proceso de fabricación de cemento, su mezcla e hidratación para dar hormigón y las propiedades mecánicas que se derivan se estudiaran en el apartado 7.4 debido a su gran importancia industrial y tecnológica.Algunos materiales poliméricos a los que se les ha añadido un aditivo de relleno (estudiados en el tema de polímeros) se comportan como materiales compuestos reforzados con partículas grandes. Las partículas pueden tener una gran variedad de geometría pero suelen tener aproximadamente las mismas dimensiones en todas las direcciones (equiaxiales) lo cual es la grandiferencia con las fibras. El reforzamiento es más efectivo cuanto menor tamaño tienen las partículas y más homogéneamente distribuidas están en la matriz. Las propiedades mecánicas mejoran con el contenido en partículas o lo que es lo mismo con el incremento de la relación partículas/matriz.Todos los materiales (metales, polímeros y cerámicas) se utilizan para fabricar este tipo de materiales. Los compuestos metal-cerámica, cermets. El cermet más común es un carburo cementado, por ejemplo WC o TiC embebidos en una matriz metálica de cobalto o níquel. Tienen gran aplicación en materiales para herramientas de corte en acero endurecidos con carburosprecipitados (cementados). Estas partículas extremadamente duras aportan el efecto de cortante a la superficie pero son frágiles por lo que estos carburos por si mismo no pueden soportar los grandes esfuerzos mecánicos en el corte. También se emplean cermets como ánodos en pilas de combustible. En el caso de los polímeros son comunes los materiales reforzados con negro de humoque son micropartículas (con diámetros entre 20 y 50 nm) esencialmente esféricas de carbono producidas por la combustión incompleta del gas natural u otros derivados del petróleo. La adición de este material (muy barato) al caucho vulcanizado aumenta la tenacidad y las resistencias a la tracción, torsión y desgaste. Los neumáticos de los vehículos contienen entre un 15 al 30 % en
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILvolumen de negro de humo. Otro ejemplo de refuerzo por dispersión de partículas pequeñas pueden ser la adición de ~ 3 % de toria (ThO2, cerámica) a las aleaciones de Ni lo que aumenta mucho la resistencia a altas temperaturas. Materiales compuestos reforzados con fibras.
Estos son los materiales compuestos más conocidos por sus altas prestaciones mecánicas y el alto valor añadido del material final. La fase dispersa consta de fibras que es una microestructura muy anisotrópica, hilos o cilindros de ∼ 2-10 μm de diámetro y ∼ 1 mm de longitud. Por tanto, tienen una longitud ∼ tres órdenes de magnitudmayor que el diámetro. Mientras que el módulo de elasticidad no cambia con el tamaño del material, solo depende de la naturaleza de las fuerzas que unen los átomos, la resistencia mecánica si cambia con la forma de la muestra. Probetas de menor tamaño (mas estrechas) presentan resistencias comparativamente más altas. La explicación se debe a que disminuye la probabilidad de encontrar defectos en la escala macro-microscópica que son principales responsables que aparezca la grieta y la fractura. Esto fue demostrado en 1920 por Griffith al ensayar con barras de vidrio de diámetro progresivamente inferior. Por esto las fibras presentan mejores prestaciones mecánicas porque la probabilidad de encontrar defectos disminuye y además se anclan en la matriz que rodea uniformemente a las ´fibrillas´. Por esto, desde el punto de vista de las propiedades mecánicas son aconsejables las fibras de diámetro lo menor posible. Sin embargo, por razones de coste y de seguridad se limita a ∼ 1 μm de diámetro porque fibras menores (con longitudes también menores) son más caras y se pueden liberar en el mecanizado de las piezas originando partículas fibrosas en suspensión (como los asbestos) que pueden causar problemas de salud. De forma general las matrices son resinas epoxi o poliéster. Las propiedades mecánicas son generalmente anisotrópicas y varían mucho según el grado de ordenamiento de las fibras en el interior del material: ordenadasuniaxialmente, parcialmente ordenadas y desordenadas.El alto valor añadido de estos materiales se puede comprobar en la Tabla 7.1 dónde se dan los valores por kilogramos de diferentes materiales. También se dan en la tabla las variaciones del módulo de Young y de la resistencia a la tracción para los diferentes tipos de materiales.
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILLas matrices poliméricas para los materiales compuestos reforzados con fibras suelen ser plásticos temoestables del tipo resinas de poliéster insaturadas o resinas epoxi que fueron estudiadas en el tema dedicado a polímeros. Las primeras fueron las que se comenzaron a utilizar hace unos 40 años, son más baratas, fáciles de maquinar, fáciles de curar a temperatura ambiente (aunque se pueden curar de forma acelerada a alta temperatura). Las resinas epoxi son ahora más comunes por las ventajas que presentan: mayor resistencia, menores modificaciones en la etapa de curado, mejor adherencia a las fibras, y se pueden utilizar a temperaturas más altas que las resinas de poliéster.Las resinas epoxi son la base de los materiales compuestos basados en fibra de carbono o de poliaramida.
Fibra de vidrio. La matriz más común son las resinas de poliéster. Hay dos variedades típicas la normal (Vidrio E, composición: SiO2 55 %, CaO 16 %, Al2O3 15 %, B2O3 10 %) y la de alta resistencia (Vidrio S, composición: SiO2 65 %, Al2O3 25 %, MgO 10 %). Esta última tiene una excelente relación resistencia/precio por lo que es muy utilizada pero su bajo módulo elástico es su principal limitación, y son muy utilizadas en el reforzamiento de plásticos en general por su bajo precio. Estas composiciones son fácilmente hilables en fibras de alta resistencia. Tienen una densidad y propiedades a la tracción comparable a las fibras de carbono y aramida pero menor resistencia y modulo de tensión aunque pueden sufrir mayor elongación sin romperse. Las aplicaciones más comunes son: carrocerías de automóviles y barcos, recipientes de almacenaje, principalmente la industria del transporte en general. Recientemente ha aparecido un material de matriz de nailon reforzado con fibra de vidrio que es extraordinariamente fuerte y con gran resistencia al impacto.
Fibra de carbono. Matriz epoxi. Tiene tres variantes, alta resistencia, intermedio y alto módulo (Tabla 12.1). Son muy útiles para aplicaciones donde los factores críticos son la rigidez, resistencia y bajo peso pero donde el precio es un factor secundario. Es muy utilizada en la industria aeronáutica para disminuir el peso de los aviones. Su elevado precio limita las aplicaciones en laindustria del automóvil. Los precursores son el PAN o la brea. En general las fibras de carbono se obtienen a partir de las fibras de PAN en tres etapas: 1) estabilización [donde se estiran las fibras PAN y se oxidan a 200-220 oC mientras se mantiene la tensión]; 2) carbonización [calentamiento a 1000-1500 oC en atmósfera inerte para eliminar H, O, N, proceso en el que se forman algunas fibras de grafito pero no demasiadas]; 3) grafitizado [calentamiento a T > 1800 oC para aumentar el modulo de elasticidad a expensas de disminuir un poco la resistencia a la tracción, en esta etapa se transforma casi todas las fibras a estructura grafito y aumentan su orientación].
Fibra de polímeros. La fibra de poliaramida es una de las más comunes y el Kevlar49® es el nombre comercial más utilizado. Fueron introducidas por la Du Pont en 1972, también existe en Kevlar29®. El primero tiene baja densidad, alta solidez y alto módulo. La unidad química repetitiva de la cadena poliaramida es [-CO-φ1-4-CO-NH-φ1-4-NH-]n (para). Tienen matriz epoxi. Son muy comunes en la industria
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILaeronáutica y aeroespacial pero están ganando mercado en otras aplicaciones como equipos deportivo de alta resistencia y bajo peso (p. ej. tablas de ski), cascos de barcos, y otras aplicaciones más puntuales como asientos a la medida, etc. Son muy tenaces y permiten la absorción de energía en impactos sin romperse. El KEVLAR49® es más resistente en algunas propiedades que el acero con E ∼ 200 GPa y 210 para el acero, pero la resistencia a la tensión es mayor que la del acero, 3.6 GPa frente a 2.8 GPa. Descompone antes de fundir lo que hace que no se pueda procesar por las técnicas normales. El nomex® es otra fibra de poliaramida pero con la sustitución en meta. Es mucho menos resistente pero puede sufrir mas deformaciones plásticas sin romperse. Esto lo hace mucho mas flexible, E ∼ 20 Gpa, por lo que se puede deformar mucho más. Este polímero se utiliza, por ejemplo, para trajes de bomberos y trajes espaciales. Además de las fibras comunes, hay materiales compuestos reforzados con whiskers. Esta microestructura son pequeños filamentos (prácticamente monocristales) producidos de tal forma que están casi libre de defectos. Whiskers monocristalinos de cerámicas tienen un tamaño de unos pocos milímetros de longitud y varias micras de diámetro. Tienen superficies muy planas y al estarlibres de defectos las propiedades mecánicas son cercanas a las teóricas. Sin embargo, los costes de producción son altos y la unión con las matrices presentan dificultades técnicas. Hay whiskers de Al2O3, SiC, BeO, C grafito, etc.Actualmente, cada vez se utilizan más materiales reforzados con fibras que sean más baratos y de menor impacto medioambiental. Para ello se están reforzando muchos polímeros con fibras provenientes de productos naturales como el lino o la fibra de coco. Cada vez se utilizan más en la industria del automóvil donde según una directriz de la UE para el 2015 el 95 % de la masa de un coche debe ser reutilizable. Además, si las fibras de refuerzo vienen de vegetales, el impacto medioambiental total en la fabricación de las piezas es mucho menor.Propiedades de algunas fibras naturales que se utilizan en materiales compuestos.
Tabla 7.2. Propiedades de algunas fibras naturales que se utilizan en materiales compuestos.
En la tabla 7.2 se dan los valores de la densidad, contenido de humedad, elongación antes de la ruptura, resistencia a la ruptura y módulo de Young de diferentes fibras naturales. En la tabla 7.3 se dan ejemplos de resinas poliméricas biodegradables tanto naturales como artificiales. Se está dedicando mucho esfuerzo de investigación en la fabricación de materiales compuestos
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILcompletamente “ecológicos” o “verdes”. En ellos se refuerza la matriz del polímero natural (p. Ej. celulosa) con fibras de origen vegetal (p. Ej. fibra de lino). Ya existen polímeros comerciales completamente “verdes” y se prevé que su producción aumente en el futuro (aunque actualmente los precios son mayores que los análogos obtenidos del petróleo).
Tabla 7.3. Polímeros biodegradables naturales y artificiales.
Cementos y hormigones. Hay varios tipos de materiales compuestos para la construcción y desde el tiempo de los egipcios se conocía el adobe que consiste en una mezcal de fibra de paja en una matriz de arcilla (con agua) para dar una pasta moldeable de la que se hacían ladrillos (con la forma deseada) y que se ha utilizado como cemento en construcciones. Actualmente, el hormigón es un material más importante y más usado como componente estructural en la construcción. En 1982 se produjeron 50 107 T de hormigón en EEUU, cantidad bastante mayor de las 6 107 T de acero en el mismo año (en volumen la diferencia es mucho mayor por las distintas densidades).Tiene la ventaja de la flexibilidad de diseño puesto que en su estado pastoso inicial se puede verter y adquiere la forma que lo contiene, es muy barato (Tabla 12.1), alta dureza, resistencia al fuego, y puede ser fabricado en el lugar. Los inconvenientes son escasa resistencia a la tensión, baja ductilidad y sufre problemas de dilatación/contracción con las variaciones de temperatura.El hormigón es un material compuesto formado por partículas dispersas (grava y arena) de gran tamaño (0.5 – 20 mm) generalmente SiO2 en una matriz dura de silicatos y aluminatos (aglutinantes) que provienen de la hidratación del cemento
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL(generalmente Portland, aunque hay otros como los de alto contenido en aluminio). La pasta moldeable original se forma por la agitación física de las cantidades adecuadas de cemento Portland (∼ 7-15 %), agua (∼ 14-21 %), agregado fino (arena 24-30 %) y agregado tosco (grava 31-51 %). La pasta del cemento actúa en el hormigón como aglutinante y mantiene unidas las partículas.El cemento Portland (que debe su nombre a una pequeña península en la costa sur de Inglaterra) puede tener composiciones variable pero dentro de unos rangos definidos. Las materias primas básicas son: 1) caliza CaO, realmente se recoge la calcita del yacimiento y se descarbonata en el horno de clinquerizado; 2) arena (sílice, SiO2); 3) alúmina (Al2O3) proveniente de yacimientos de alumino-silicatos (arcillas); 4) óxido de hierro (Fe2O3) generalmente provienen de la tostación de piritas. Una vez molturados, se introducen en el horno giratorio inclinado, horno de clinquerizado, junto con carbón y es la combustión de este carbón el que propicia la elevada temperatura (cercanas a 1500 oC) donde existen pequeñas fases líquidas que originan el producto de salida, clinquer, que contiene las siguientes fases cristalinas: 1) silicato tricálcico, 3CaO.SiO2 (C3S) ∼ 60 %; 2) silicato dicálcico, 2CaO.SiO2 (C2S) ∼ 20 %; 3) aluminato tricálcico, 3CaO.Al2O3 (C3A) ∼ 10 %; 3) aluminoferrato tetracálcico, 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF) ∼ 10 %. Este clinquer puede tener composiciones ligeramente diferentes en función del uso a que se destine ya que se producen varios tipos de cementos Portland. Una vez molturado, el clinquer se mezcla con una pequeñas cantidades de agua y yeso (CaSO4.2H2O) para controlar el tiempo de preparación del hormigón, con valor total aproximado menor del 10 %. En función del tipo de cemento se le pueden añadir otros aditivos en la molienda final como cenizas volantes, etc.Se pueden modificar las condiciones de endurecimiento como tiempo y temperatura ajustando las fases que componen el clinquer y por tanto el cemento. Si se necesita un cemento con bajo calor de hidratación se baja la cantidad de C3S a ∼ 25 % y se eleva la del C2S a ∼ 50 %. Si se desea un endurecimiento rápido se eleva la de C3S a ∼ 65-70 % y se disminuye la de C2S a ∼ 10 %. Para resistir a los sulfatos se eleva la relación de C2S y C4AF.Las reacciones de hidratación de los cementos son bastante complicadas. La reacción inicial de los silicatos cálcicos da un silicato cálcico hidratado según las reacciones químicas (1) y (2) generando partículas extremadamente pequeñas (< 1μm) comportándose como un gel coloidal amorfo (gel C-S-H) y libera hidróxido cálcico “cristalino”. El C3S reacciona rápidamente y es el responsable del endurecimiento rápido del cemento Portland. El C2S reacciona más lentamente y es el responsable del endurecimiento del cemento Portland en periodos de grandes (los ensayos mecánicos típicos de dureza y resistencia a la tracción se hacen a los 28 días de la preparación de la mezcla). El C3A se hidrata rápidamente con la liberación de mucho calor. El C4AF se produce en el cemento porque el óxido de hierro reduce las temperaturas a la que se producen líquidos en el horno de clinquerizado por lo que se puede operar a temperaturas relativamente más bajas con el ahorro energético y económico que ello conlleva. 2C3S + 6H2O→C3S23H2O “gel” + 3Ca(OH)2 (1) 2C2S + 4H2O→C3S23H2O “gel”+ Ca(OH)2 (2)
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CARRERA DE INGENIERÍA CIVILEl hormigón es un material compuesto formado por cerámicos y tiene una resistencia a la compresión mucho mayor que a la tensión (un orden de magnitud). La mejora de las propiedades de resistencia a la tracción se puede llevar a cabo mediante el refuerzo con barras de acero (que pueden estar pretensadas). Si las barras están tensadas en el momento del fraguado, el hormigón aumenta más la resistencia. El hormigón reforzado con acero se conoce como hormigón armado y constituye la etapa de encofrado de un edificio para construir la estructura básica de pilares.El alquitrán (o bitumen) es un polímero termoplástico que se obtiene a partir de la
destilación fraccionada del petróleo (última fracción). Sirve por su efecto adhesivo
para pavimentación de carreteras. El asfalto es un material compuesto con
agregado y aglutinante. El agregado suele ser arena (y grava fina). El aglutinante
suele ser alquitrán. Se están utilizando productos del reciclado vidrio como
agregado.
CONCLUSIÓN
En conclusión la ciencia de los materiales estudia en profundidad cada uno de los
materiales que se utiliza en una construcción o proyecto pero esta metería los brinda
el conociendo necesario para saber utilizado para el momento de su aplicación.
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UNIDAD ACADÉMICA DE CIENCIAS TECNICAS
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL https://es.wikipedia.org/wiki/Silicona
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