Curso de tecnología de Materiales para la ingeniería civil.

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL FACULTAD DE

E.AP. INGENIERÍA Tecnología de los

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES

INTRODUCCIÓN La Tecnología de los Materiales está dirigido a los materiales de construcción que se utiliza en la Ingeniería Civil. El estudiante de Ingeniería Civil debe conocer los materiales de Construcción, sus propiedades y usos, para que en la continuación de sus estudios pueda utilizar estos conocimientos, que son básicos en su desarrollo académico y desempeño de su vida profesional. La Tecnología de materiales es uno de los pilares fundamentales de cualquier carrera de ingeniería. El estudio de las propiedades de los materiales y cómo podemos fabricarlos de manera que se adecuen a la finalidad que queremos conseguir, es de vital importancia para cualquier rama de la ingeniería. Con la ayuda de la Tecnología de materiales se han alcanzado metas que parecían inaccesibles inaccesibles y dispositivos que hasta años atrás formaban parte de la ciencia ficción . Cada día se consiguen estándares de calidad mayores que nos facilitan el trabajo a los ingenieros, para conseguir mejorar el mundo poco a poco.

Ing. Elena Quevedo Haro

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MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN DEFINICIÓN DE MATERIALES: Es un conjunto de elementos que son necesarios para actividades o tareas especificadas para la producción de bienes o servicios.

DEFINICIÓN DE MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN: Son los elementos empleados en la construcción de residencias, monumentos y obras públicas. En otras palabras palabras es todo componente componente que interviene de alguna forma, en en el proceso constructivo de una obra, permitiendo la obtención de otros materiales (mortero, concreto, etc) o interviniendo en forma directa en ella (ladrillos, acero, etc)


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E.AP. INGENIER E.AP. INGENIER A Tecnología de los

CLASIFICACION DE LOS MATERIALES (EN GENERAL) 

Según su origen -

Materiales naturales: son aquellos que se encuentran en la naturaleza, las personas utilizamos materiales naturales con diferente origen: mineral, vegetal o animal.

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A partir de rocas y minerales se obtienen los materiales de origen mineral. Los metales, la piedra o la arena son materiales de origen mineral. A partir de las plantas obtenemos los materiales de origen vegetal. El material de origen vegetal más importante es la madera, pero también existen otros que empleamos de forma habitual, como las fibras vegetales (algodón, lino, mimbre) o el corcho.

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Otros son materiales de origen animal. Por ejemplo, el cuero o la lana que usamos en muchas prendas de vestir, en bolsos, zapatos, etc. Materiales sintéticos: son aquellos creados por las personas a partir de materiales naturales; por ejemplo, el hormigón, el vidrio, el papel pap el o los plásticos.


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Según sus propiedades Según estas propiedades, podemos clasificar los materiales más usuales en los siguientes grupos: maderas, metales, plásticos, materiales pétreos, cerámicas y vidrios o materiales textiles. MATERIA Madera

Metal

Plástico

Pétreos

APLICACIONES PROPIEDADES EJEMPLOS OBTENCIÓN Muebles. No conduce el calor Pino. Roble. A partir de árboles. Estructuras. ni la electricidad. Haya. Embarcaciones. Fácil de traba ar. Buen conductor del Acero. Cobre. A partir de Clips. Cuchillas. calor y la Cubiertos. Estaño. determinados electricidad. Dúctil Estructuras. Aluminio. minerales. maleable. PVC. PET. Bolígrafos. Carcasas Mediante procesos Porexpán de electrodomésticos. Ligero. Mal conductor del calor y (corcho químicos, a partir del Envases. la electricidad. petróleo. blanco). Metacrilato. Pesados y Encimeras. Fachadas resistentes. Difíciles Mármol. Se obtienen de las y suelo de edificios. de trabajar. Buenos Granito. rocas, en canteras. aislantes del calor y Cerámica: a partir de arcillas y arenas por moldeado y cocción. Vidrio: se obtiene mezclando y tratando arena,

Cerámica y Vajillas. Ladrillos, tejas. Ventanas, vidrio puertas. Cristales.

Duro. Frágil. Transparente (solo vidrio).

Loza. Porcelana. Vidrio.

Textiles

Flexibles y resistentes. Fáciles de trabajar.

Se hilan y tejen Algodón. fibras de origen Lana. Nailon. vegetal, animal o sintético.

Ropa. Toldos.

Por conveniencia la mayoría de los materiales de la ingeniería están dividas en cinco grupos: metales, cerámicos, polímeros, semiconductores y materiales compuestos. Los materiales de cada uno de estos grupos poseen estructuras y propiedades distintas. Metales. Tienen como característica una buena conductividad eléctrica y térmica, alta resistencia, rigidez, ductilidad. Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de

carga.

Las

aleaciones

(combinaciones de metales) conceden alguna propiedad particularmente deseable en mayor proporción o permiten una mejor combinación de propiedades. Ing. Elena Quevedo Haro

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Se define a los metales como aquellos elementos químicos que se caracterizan por tener las siguientes propiedades: - Poseen una estructura interna común. - Son sólidos a temperaturas normales, excepto el mercurio y el galio - Tienen una alta densidad - Tienen elevada conductividad térmica y eléctrica. - Tienen considerable resistencia mecánica. - Suelen ser maleables. - Se pueden fundir, conformar y reciclar.

Cerámicos. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica y son usados a menudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas de procesos consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de este grupo de materiales se encuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos.


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Polímeros. Son grandes estructuras moleculares creadas a partir de moléculas orgánicas. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia y debe evitarse su uso a temperaturas elevadas. Los polímeros termoplásticos, en los que las cadenas moleculares no están conectadas de manera rígida, tienen buena ductibilidad y conformabilidad; en cambio, los polímeros termoestables son más resistentes, a pesar de que

sus cadenas moleculares

fuertemente enlazadas los hacen más frágiles. Tienen múltiples aplicaciones, entre ellas en dispositivos electrónicos.

Semiconductores. Su conductividad eléctrica puede controlarse para su uso en dispositivos electrónicos. Son muy frágiles.

Materiales compuestos. Como su nombre lo indica, están formados a partir de dos o más materiales de distinto grupos, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de forma individual.

Metales: De los elementos que figuran en la tabla periódica, alrededor de 80 pueden ser clasificados como metales. Todos ellos tienen en común que sus electrones más externos en un átomo


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neutro son cedidos fácilmente. Esta característica es la causa de su conductividad, tanto eléctrica como térmica, de su brillo y maleabilidad. El uso de metales puros es limitado, pues son blandos o tienden a corroerse. Sin embargo, toleran un considerable cantidad de elementos en estado sólido o líquido. Así, la mayor parte de los materiales metálicos comúnmente usados son mezclas de dos o más metales elementales. Es posible realizar estas mezclas de varias maneras, pero casi siempre se obtienen por la unión de metales por arriba de su punto de fusión. Esa mezcla sólida de metales o metaloides se denom ina aleación. El Instituto del Hierro y del Acero clasifica los productos metalúrgicos en las siguientes clases:

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F Aleaciones férreas L Aleaciones ligeras C Aleaciones de cobre V Aleaciones varias

Cada clase contiene series de materiales caracterizados por una aplicación común; a su vez, cada serie se divide en grupos de materiales con características afines y específicas. Y el grupo está compuesto por individuos que indican un tipo definido del material considerado. Así, la identificación de un producto determinado depende de la indicación: Clase- Serie- Grupo- Individuo Ejemplo: F-517 donde: F = Aleación férrea 5 = Acero para herramientas 1 = Grupo de aceros de carbono 7 = Composición


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DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION: Los llamados materiales de construcción engloban a aquellos materiales que entran a formar parte de los distintos tipos de obras arquitectónicas o de ingeniería, cualquiera que sea su naturaleza, composición o forma. Los materiales de construcción abarcan un gran número y de orígenes muy diversos, pudiéndose clasificar para su estudio en base a diferentes criterios, siendo los más habituales su función en la obra, su intervención y su origen. 

Según su función en la obra, los materiales de construcción se clasifican en: resistentes, aglomerantes y auxiliares. Los materiales resistentes son los que soportan el peso de la obra y los ataques meteorológicos o los provocados por el uso (piedras, ladrillos, hormigón, hierro, etc.). Los materiales aglomerantes son los que sirven de ligazón entre los resistentes para unirlos en formaciones adecuadas a su función (cemento, yeso, cal, etc.). Por último, los materiales auxiliares son aquellos que tienen una función de remate y acabado (maderas, vidrios, pinturas, etc.).

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Por su intervención en la obra, los materiales se clasifican en: de cimentación, de estructura, de cobertura y de cerramiento. Los de cimentación son fundamentalmente los hormigones, en particular, el hormigón armado. Las estructuras pueden ser de hormigón, metálicos, de madera o mixtas. Las coberturas pueden ser de prefabricadas, metálicas, de materiales cerámicos o pétreos. Por último, los cerramientos pueden ser ladrillos, acristalados, prefabricados, etc.

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En función de su origen los materiales de construcción se pueden dividir en función de su origen, siendo este criterio el más adecuado para el estudio de las propiedades características de los mismos, y será el que se seguirá en el desarrollo del presente tema. Presenta además la ventaja de que, a diferencia de las otras clasificaciones, no hay materiales que se repiten en los diferentes apartados. Según este criterio, los materiales se dividen en:


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Materiales pétreos: son las piedras naturales. Pueden presentarse en forma de bloques o losetas, o también como gránulos. Ejemplos: el mármol, la pizarra o la arena.

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Cerámicas y vidrios: son los obtenidos a partir de la cocción del barro, como las tejas y los ladrillos; o de la fundición de minerales como el vidrio.

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Materiales aglutinantes: son productos pulverizantes que, cuando se mezclan con agua, sufren unas transformaciones químicas que producen su endurecimiento al aire o bajo el agua. Este proceso se conoce como fraguado. Ejemplos: el cemento y el yeso.


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Materiales compuestos: son productos formados por la mezcla de materiales con diferentes propiedades pero fácilmente distinguibles entre sí. Ejemplos: el asfalto, que es una mezcla de alquitrán y grava, y el hormigón, que es una mezcla de cemento, arena, grava y agua.

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Materiales metálicos: se obtienen a partir de minerales. Ejemplos: el aluminio, el hierro o el acero.

En un edificio actual podemos encontrar los siguientes elementos: 1. Cimientos. Son de hormigón y soportan el peso de todo el edificio. 2. Estructura. Compuesta de pilares, vigas y viguetas que pueden ser de hormigón

armado o de acero.



3. Suelos y techos. Sobre las viguetas se colocan bovedillas de cerámica. Para los suelos se allana y nivela con hormigón y se cubre con losetas de cerámica (plaquetas) o madera. Los techos se cubren con escayola o yeso. 4. Muros externos. Normalmente es un doble muro de ladrillo con una cámara interior que puede rellenarse con un material aislante como la fibra de vidrio, el poliuretano o

poliestireno expandido. 5. Ventanas. El vidrio se emplea en las ventanas y en muchos casos también sirve como cerramiento exterior del edificio. Es necesario colocar un dintel para sujetar los ladrillos de la parte superior del hueco de la ventana. Esta suele ser una vigueta de hormigón

pretensado o de hormigón armado, o bien una alineación de ladrillos colocados verticalmente. 6. Cubierta. Es un soporte estructural de acero o madera sobre el que se superpone un material impermeable de fibra de vidrio mezclado con poliéster y luego se cubre con

tejas o pizarra. 7. Muros interiores. Pueden estar hechos de ladrillo o de paneles prefabricados de yeso o

madera. Si están hechos de ladrillo es necesario aplicar yeso para alisar la superficie.



PROPIEDADES DE LOS MATERIALES (EN GENERAL) Propiedades Físicas Dependen de la estructura y procesamiento del material. Describen características como color, conductividad eléctrica o térmica, magnetismo y comportamiento óptico, generalmente no se alteran por fuerza que actúan sobre el material. Pueden dividirse en: eléctricas, magnéticas y ópticas.

Propiedades Mecánicas - Tenacidad: Es la propiedad que tienen ciertos materiales de soportar, sin deformarse ni romperse, los esfuerzos bruscos que se les apliquen. - Elasticidad: Consiste en la capacidad de algunos materiales para recobrar su forma y dimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo que había determinado su deformación. - Dureza: Es la resistencia que un material opone a la penetración. - Fragilidad: Un material es frágil cuando se rompe fácilmente por la acción de un choque. - Plasticidad: Aptitud de algunos materiales sólidos de adquirir deformaciones permanentes, bajo la acción de una presión o fuerza exterior, sin que se produzca rotura.



- Ductibilidad: Considerada una variante de la plasticidad, es la propiedad que poseen ciertos metales para poder estirarse en forma de hilos finos. - Maleabilidad: Otra variante de la plasticidad, consiste en la posibilidad de transformar algunos metales en láminas delgadas. Las anteriores propiedades mecánicas se valoran con exactitud mediante ensayos mecánicos: - Ensayo de tracción: Ofrece una idea aproximada de la tenacidad y elasticidad de un material. - Ensayos de dureza: Permiten conocer el grado de dureza del material. - Ensayos al choque: Su práctica permite conocer la fragilidad y tenacidad de un material. - Ensayos tecnológicos: Ponen de manifiesto las características de plasticidad que posee un material para proceder a su forja, doblado, embutido, etc.

Esfuerzos a que pueden ser sometidos los materiales Los materiales sólidos responden a fuerzas externas como la tensión, la compresión, la torsión, la flexión o la cizalladura. Los materiales sólidos responden a dichas fuerzas con: Una deformación elástica (en la que el material vuelve a su tamaño y forma originales cuando se elimina la fuerza externa) Una deformación permanente Una fractura

La tensión es una fuerza que tira; por ejemplo, la fuerza que actúa sobre un cable que sostiene un peso. Cuando un material esta sometido a tensión suele estirarse, y recupera su longitud original (deformación elástica), si esta fuerza no supera el límite elástico del material. Bajo tensiones mayores, el material no vuelve completamente a su situación original (deformación plástica), y cuando la fuerza es aún mayor, se produce la ruptura del material.

La compresión es una fuerza que prensa, esto tiende a causar una reducción de volumen. Si el material es rígido la deformación será mínima, siempre q la fuerza no supere sus limites; si esto pasa el material se doblaría y sobre el se produciría un esfuerzo de flexión. Si el material es plástico se produciría una deformación en la que los laterales se deformarían hacia los lados.



La flexión es una fuerza en la que actúan simultáneamente fuerzas de tensión y compresión; por ejemplo, cuando se flexiona una varilla, uno de sus lados se estira y el otro se comprime. Si estas fuerzas no superan los limites de flexibilidad y compresión de del material este solo se deforma, si las supera su produce la ruptura del material.

La torsión es una fuerza que dobla el material, esto se produce cuando el material es girado hacia lados contrarios desde sus extremos. En este tipo de fuerza también actúan simultáneamente tensión y compresión. Si no se superan sus límites de flexión este se deformara en forma de espiral, si se superan el material sufrirá un ruptura.

La cizalladura es una fuerza que corta, esto se produce cuando el material presionado (en dos partes muy cercanas) por arriba y pro abajo. En este tipo de fuerza también actúan simultáneamente tensión y compresión. Si esta fuerza no supera los límites de flexión y compresión del material este se deformara, si los supera la fuerza producirá un corte en este.

Propiedades Químicas Las propiedades químicas: son la oxidación y la corrosión, sobre todo en los metales. El resto se relaciona con los procedimientos de obtención y los tratamientos superficiales. Las propiedades químicas se manifiestan en los procesos químicos (reacciones químicas), mientras que las propiedades propiamente llamadas propiedades físicas, se manifiestan en los procesos físicos, como el cambio de estado, la deformación, el desplazamiento, etc. Ejemplos de propiedades químicas: corrosividad de ácidos poder calorífico acidez reactividad Propiedades Acústicas Cuando se trata de elementos constructivos constituidos por varias capas, una disposición adecuada de ellas puede mejorar el aislamiento acústico hasta niveles superiores a los que la suma del aislamiento individual de cada capa, pudiera alcanzar. Cada elemento o capa tiene una frecuencia de resonancia que depende del material que lo compone y de su espesor. Si el



sonido (o ruido) que llega al elemento tiene esa frecuencia producirá la resonancia y al vibrar el elemento, producirá sonido que se sumará al transmitido. Por ello, si se disponen dos capas del mismo material y distinto espesor, y que por lo tanto tendrán distinta frecuencia de resonancia, la frecuencia que deje pasar en exceso la primera capa, será absorbida por la segunda. También mejora el aislamiento si se dispone entre las dos capas un material absorbente. Estos materiales suelen ser de poca densidad y con gran cantidad de poros y se colocan normalmente porque además suelen ser también buenos aislantes térmicos. Así, un material absorbente colocado en el espacio cerrado entre dos tabiques paralelos mejora el aislamiento que ofrecerían dichos tabiques por sí solos. Cuanto más espesa y pesada, y cuanto más separada está, menos entrará en vibración y será más aislante. Es la diferencia de niveles de presión acústica medidas en las dos caras de una pared. Este aislamiento es la resultante calculada después de medir "in situ" los lados sonoros L1 y L2 en ambas caras de una pared. Dependerá en gran parte de: Características acústicas de los materiales que constituyen la pared Superficie relativa ocupada por cada tipo diferente de material Ligazón entre los diferentes materiales Transmisiones indirectas por las otras paredes Estanqueidad de los ensamblajes Espectros del sonido Ángulos de incidencia de las ondas sonoras

Propiedades Térmicas Al aportar calor a un cuerpo, aumenta su temperatura. Supondremos que no se modifica el estado de agregación del cuerpo, es decir, no se funde, no se evapora ni sublima. La relación entre la cantidad de calor aportado y la elevación de temperatura se expresa. La magnitud c se



denomina capacidad calorífica del cuerpo, y es proporcional a su masa m según c=c.m; la capacidad calorífica por unidad de masa.

Se sabe que los materiales cambian sus propiedades con la temperatura. En la mayoría de los casos las propiedades mecánicas y físicas dependen de la T° a la cual el material se usa o de la T° a la cual se somete el material durante su procedimiento.

CAPACIDAD CALÓRICA: Un material sólido cuando se calienta, experimenta un incremento en la T°, lo que significa que algo de energía ha sido absorbido. La capacidad calórica es una propiedad que es indicativa de la habilidad de un material para absorber calor de los alrededores. Esta representa la cantidad de energía requerida para producir un aumento de la unidad de T° (1°C ó 1°K). En términos matemáticos la capacidad calórica C se expresa como: C = dQ donde dQ es la energía requerida para producir un dT (diferencial) o cambio de temperatura. Normalmente la capacidad calórica se expresa por mol de material (J/mol°k) ó (cal/mol°K). También se usa el termino calor especifico ²c², que representa la capacidad calórica por unidad de masa (J/kg°K) ó (cal/kg°K). Hay realmente dos formas en las cuales se puede medir esta propiedad, de acuerdo a las condiciones ambientales que acompañan la transferencia de calor. Una es la capacidad calórica mientras se mantiene el volumen constante, Cv, y el otro es manteniendo la presión exterior constante, denotada por Cp. La magnitud de Cp es mayor que la de Cv, pero esta diferencia es muy pequeña para la mayoría de sólidos a T° ambiental y por debajo.

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN Algunas de las propiedades más importantes de los materiales para la construcción son la densidad, la resistencia a la compresión y la resistencia a la tracción.

DENSIDAD. Es la relación entre la masa y el volumen. Se puede decir que, en general, los materiales de



construcción son de densidad media. Son menos pesados que algunos metales.

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN. La resistencia a la compresión indica la fuerza máxima que soporta el material de una determinada sección antes de romperse. La unidad que se emplea para medir esta resistencia es el megapascal (MPa). Los materiales pétreos y cerámicos son muy resistentes a la composición, en algunos casos, más que el acero, como por ejemplo el vidrio. Los pilares de una vivienda deben ser resistentes a esfuerzos de compresión. El acero es un material resistente a este esfuerzo pero es caro y pesado. El hormigón resulta ser un material más débil, pero resulta más ligero y económico.

RESISTENCIA A LA TRACCIÓN. La resistencia a la tracción nos indica la fuerza máxima de tracción que puede soportar un material de una determinada sección. Continuamos ensayando con nuestras columnas de pruebas realizadas en acero, vidrio y hormigón El comportamiento de un material cuando actúan sobre él fuerzas que tienden a estirarlo es importantísimo en muchas aplicaciones. Los materiales pétreos, en general, son poco resistentes a la tracción. Soportan mucho mejor los esfuerzos de compresión que los de tracción. Sin embargo, los perfiles laminados de acero, empleados en la construcción de edificios, son muy resistentes a la tracción. Los materiales pétreos se rompen cuando sobrepasan el límite de resistencia a la tracción, en cambio los metales, debido a su ductilidad, solo sufren un estrechamiento de la sección central.

OTRAS PROPIEDADES. Además, los materiales empleados en construcción en general son también: Duros: es decir, no se rayan fácilmente, por lo que son muy resistentes al desgaste y a la fricción.

Frágiles: se rompen con facilidad al recibir un golpe seco. Es el caso del vidrio,



que es muy frágil.

Resistentes a la corrosión: aguantan muy bien condiciones medioambientales agresivas, como humedad, cambios de temperatura, etc., y son muy duraderos.

Económicos: la materia prima empleada es muy abundante. Es el caso del yeso natural, la arena o la arcilla. El transporte a largas distancias, sin embargo, es lo que más encarece el precio de la materia prima. Ti pos de materi ales. Apl icaci ones.

Vamos a estudiar algunos de los materiales más utilizados en construcción. Los vamos a clasificar en cuatro grandes grupos: materiales pétreos, aglutinantes, cerámicas y vídrios y materiales compuestos.

MATERIALES PÉTREOS a) Roca caliza (carbonato de calcio) Propiedades: Permeable al agua. Menos resistencia y durabilidad que el resto de materiales pétreos.

Aplicaciones: Muros de edificios. Fabricación de cemento

b) Mármol Propiedades: Presenta una gama muy variada de colores. Se puede tallar, tornear y pulir, por lo que adquiere un bonito acabado. Natural, de origen mineral.

Aplicaciones: Suelos. Recubrimiento de paredes. Ornamentación en paredes y fachadas.



c) Granito (cuarzo, feldespato y mica) Propiedades: Puede tener varias coloraciones: gris, negro, amarillo, rojizo o verde. Aplicaciones: Fabricación de hormigón. Pavimentos. Muros de edificios. Encimeras de cocina.

d) Pizarra (arcilla, cuarzo, mica y feldespato) Propiedades: Estructura laminar, por lo que se corta bien en forma de losetas. Se presenta en diferentes colores: negro, verde, gris o azul. Impermeable. Aplicaciones: Cubiertas de edificios



e) Áridos Propiedades: En este grupo entran las arenas y las gravas. Aplicaciones: Pavimentos de carreteras. Elaboración de mortero y hormigón.



CERÁM I CAS Y VI DRI OS.

a) Baldosas y azulejos Propiedades: Buen acabado, con superficie lisa. Duros. Aplicaciones: Suelos. Recubrimiento de paredes.

b) Ladrillos refractarios Propiedades: Duros. Resistencia a las elevadas temperaturas. Aplicaciones: Hornos. Chimeneas.

c) Loza sanitaria Propiedades: Dura. Muy resistente a la corrosión. Aplicaciones: Saneamientos de baños.



d) Vidrio Propiedades: Transparente. Muy resistente a la compresión. Resistente a la corrosión. Aislante eléctrico. Frágil.

Aplicaciones: Ventanas, puertas. Fachadas de edificios. Laboratorios. Vasos, platos. Decoración.

e) Lana de vidrio Propiedades: Excelente aislante térmico. Excelente aislante acústico. Aplicaciones: Capa aislante en muros.


f) Ladrillos Propiedades: Duros. Baratos. Aplicaciones: Muros. Fachadas

g) Bovedillas Propiedades: Resistentes a la flexión. Baratas. Aplicaciones: Entresuelos.

h) Tejas Propiedades: Duras. Impermeables. Baratas. Aplicaciones: Tejados.




AGLUTINANTES a) Yeso Propiedades: Muy abundante. Al mezclarse con agua, se endurece (fragua) al poco tiempo. Buen acabado (en forma de escayola).

Aplicaciones: Recubrimiento de techos y paredes. Molduras (escayola). Tabiques. Muebles.

b) Cemento (yeso, caliza y arcilla) Propiedades: Al mezclarse con agua, se endurece (fragua) al poco tiempo. Aplicaciones: Fabricación de mortero y hormigón. Recubrimiento de paredes. Suelos.



COMPUESTOS a) Mortero (cemento, arena y agua) Propiedades: Fácil de elaborar. Se endurece (fragua) al poco tiempo. Aplicaciones: Aglutinantes para "pegar" ladrillos, baldosas, etc.

b) Hormigón (cemento, arena, agua y grava) Propiedades: Se endurece (fragua) al poco tiempo. Resistente al fuego. Duradero. Resistente a la compresión. Resistente a la tracción (hormigón armado). Muy resistente a la tracción (hormigón pretensado). Se puede hacer en la obra.

Aplicaciones: Fabricación de hormigón armado. Vigas. Pilares. Cimientos. Estructuras en general.



c) Mezclas asfálticas (alquitrán y áridos) Propiedades: Impermeables. Aplicaciones: Aglutinantes. Pavimentos en carreteras. Recubrimientos de patios y tejados.

Empezaremos a estudiar a los materiales pétreos dentro de ellos a las Rocas.



MATERIALES PÉTREOS Los materiales pétreos utilizados en construcción son las rocas, que son agregados de partículas minerales de dimensiones apreciables y de forma indeterminada, mientras que los materiales derivados de las rocas, y que se emplean habitualmente en la construcción, reciben el nombre genérico de piedra. Las rocas naturales han sido, y todavía lo siguen siendo, muy apreciadas en la construcción. Tienen, en general, la ventaja de ser muy resistentes a las condiciones medioambientales y a los golpes. En relación con las condiciones medioambientales, es de especial interés la resistencia a la rotura por efecto de la dilatación del agua que penetra en la roca al helarse; en la actualidad también es importante considerar la resistencia a los factores contaminantes como la lluvia ácida, humos, etc. Sin embargo ofrecen una serie de inconvenientes que hace que hayan sido relegadas por otros materiales de procedencia artificial. Entre estos cabe destacar el alto coste; su poca plasticidad y alta fragilidad, su poca resistencia a la tracción, aunque poseen elevada resistencia a la compresión, y su elevado peso específico. En la actualidad, las rocas se emplean en la construcción como elemento resistente, decorativo en el recubrimiento de paredes y suelos, y como materia prima para la fabricación de otros materiales como cementos, piezas de cerámicas, etc., siendo este último su principal aplicación.

1.- Rocas y piedras. Las rocas se extraen de las canteras o excavaciones, arrancándolas por medio de máquinas (piedras blandas), o por voladuras (piedras duras). En ambos casos se obtienen grandes bloques de roca sin una forma determinada. Para su uso en construcción es necesario realizar en primer lugar un desbaste, que consiste en eliminar las partes más bastas de los bloques y prepararlas para la labra, que consiste en darles las dimensiones y formas requeridas.

1.1. Rocas ígneas o eruptivas. Son rocas formadas por enfriamiento y solidificación de las masas fundidas de magma, del interior de la corteza terrestre, al salir al exterior. Las rocas ígneas están compuestas casi en su totalidad por minerales silicatos, y suelen clasificarse según su contenido de sílice. Las principales categorías son ácidas o básicas, siendo el granito ejemplo del primer grupo, y el basalto del segundo.

1.1.1 Granito. El granito es una roca que cristaliza a partir de magma enfriado de forma lenta a grandes profundidades bajo la superficie terrestre. Está compuesto por feldespato, cuarzo y mica, y de algunos otros minerales accesorios. Presentan una estructura granular cristalina, con grano grueso, mediano o fino según las condiciones de enfriamiento (velocidades rápidas favorecen el grano fino y las muy



lenta el grano grueso). La coloración varía según abunde una clase de mineral u otra, siendo generalmente de color grisáceo, aunque podemos encontrar granitos negros, blancos, rojizos, etc. Entre sus propiedades destaca su gran resistencia a las cargas, siendo un material muy duro, lo que dificulta su extracción; se labra mal, pero en cambio se pulen muy bien; presenta una resistencia a la helacidad baja, agrietándose también por la acción del fuego. Se emplea en toda clase de obras como pavimentos, zócalos, escalones, revestimiento de fachadas y ornamentaciones, etc. También se emplea para la obtención de gravas para la elaboración de hormigones.

1.1.2. Basaltos. El basalto es la variedad más común de roca volcánica. Se compone casi en su totalidad de silicatos oscuros de grano fino. Suele ser de color gris oscuro, muy duro pero frágil, de elevada resistencia a la compresión. Es una piedra menos resistente a los agentes atmosféricos que el granito, siendo atacada por el agua carbonatada, que es capaz de disolverla dando lugar a terrenos sedimentarios. El basalto se emplea en pavimentos (pequeños adoquines), bordillos de aceras, construcción de diques, etc.

1.2. Rocas sedimentarias. Las rocas sedimentarias están formadas por fragmentos pertenecientes a otras rocas más antiguas, y que han que han sido transformadas y erosionadas por la acción del agua y, en menor medida, del viento o del hielo glaciar. Estos fragmentos se presentan en depósitos o sedimentos que forman capas o estratos superpuestos, separados por superficies paralelas, representando cada capa un periodo de sedimento. Las rocas sedimentarias se clasifican según su origen en mecánicas y químicas. Las rocas mecánicas se componen de partículas minerales producidas por la desintegración mecánica de otras rocas y transportadas hasta el lugar de depósito, sin deterioro químico. Las rocas mecánicas pueden a su vez dividirse en rocas incoherentes y rocas compactas. Las rocas incoherentes se originan al resquebrajarse las rocas, dando fragmentos que sucesivamente, por la acción de los agentes externos y/o el propio choque entre ellas, se van reduciendo y redondeando. Según el diámetro de estos fragmentos tenemos diferentes tipos de materiales: bloques > 500mm, cantos o guijarros 500-100mm, gravas 100-30mm, gravilla 3015mm, garbancillo 15-5mm, arena 5-0.2mm, polvo y limo 0.2-0.002mm y arcillas 0.0020.0001mm. Por su parte, las rocas compactas se forman a partir de las incoherentes por compresión o aglomeradas por una pasta o cemento. Se dividen según el tamaño de los fragmentos que se han compactado, así tenemos los conglomerados que están formados por cantos, gravas, gravillas o garbancillos, areniscas cuando se compactan arenas y pizarras cuando se compactan arcillas y limo.



Las rocas químicas pueden formarse por precipitación de sales disueltas o por la acumulación de restos orgánicos. Las rocas por precipitación proceden de la acumulación de las sales disueltas en agua, al evaporarse ésta, en lugares secos y cálidos. Dentro de este tipo destaca en sobremanera el yeso que es sulfato cálcico dihidratado. Las rocas de origen orgánicos proceden de la acumulación de restos de animales y plantas, destacando dentro de este grupo la caliza.

1.2.1. - Calizas. Las calizas son rocas formadas por carbonato cálcico, pudiendo tener un origen químico por precipitación de soluciones bicarbonatadas u orgánico por acumulación de restos de caparazones o conchas de mar, formadas por las secreciones de CaCO3 de distintos animales marinos. Las calizas son de colores ocre, de dureza media y fáciles de labrar y pulir. En general constituyen un excelente material de construcción. También se emplea en grandes cantidades como materia prima para la elaboración de cementos, y tratadas al fuego se calcinan dando cal.

1.2.2. Áridos, arenas y areniscas. Los áridos o gravas son fragmentos de roca de diámetro medio, entre 100 y 30mm, procedentes de la trituración de rocas, ya sea de forma natural o artificial. Se emplean en mampostería, en pavimentos, para la elaboración de hormigones, etc. Las arenas son fragmentos producidos por de la desintegración química y mecánica de la rocas bajo meteorización y abrasión, de diámetro entre 5 y 0.2mm. Su composición es variada, pero las más frecuentes están formadas de cuarzo (sílice) con una pequeña proporción de mica, feldespato, magnetita y otros minerales resistentes. Cuando las partículas acaban de formarse suelen ser angulosas y puntiagudas, haciéndose más pequeñas y redondeadas por la fricción provocada por el viento y el agua. Desempeñan un importante papel al ser parte esencial en la elaboración de morteros y hormigones, empleándose también en el acondicionamiento del lecho para conducciones subterráneas. Se subdividen en gruesas (5-2mm), medias (2-1mm) y finas (> a 1mm). Por su origen se dividen en arenas de mina, de río, marinas y artificiales. Las areniscas son rocas resultantes de la compactación de cementos naturales. Su composición química es la misma que estar compuesto por sílice, carbonato de calcio u óxido de determinado por el material cimentador. Son rocas que se revestimientos y en la fabricación de piedras de afilar y de moler.

arenas de cantos vivos unidos por la de la arena, y el cemento suele hierro. El color de la roca viene labran muy bien, usándose como

1.2.3 Arcillas. La arcilla se compone de un grupo de minerales aluminosilicatos formados por la meteorización de rocas feldespáticas, como el granito. El grano es de tamaño microscópico (> de 0.002mm), y con forma de escamas. Esto hace que la superficie de agregación sea mucho mayor que su espesor, lo que permite un gran almacenamiento de agua por adherencia, dando plasticidad a la arcilla.



Las variedades más comunes de arcilla son: la arcilla china o caolín; la arcilla de pipa, similar al caolín pero con un contenido mayor de sílice; la arcilla de alfarería, no tan pura como la arcilla de pipa; la arcilla de escultura o arcilla plástica, una arcilla fina de alfarería mezclada, a veces, con arena fina; arcilla para ladrillos, una mezcla de arcilla y arena con algo de materia ferruginosa (con hierro); la arcilla refractaria, con pequeño o nulo contenido de caliza, tierra alcalina o hierro (que actúan como flujos), por tanto, es infusible y muy refractaria; el esquisto y la marga. Las arcillas plásticas se usan en todos los tipos de alfarería, en ladrillos, baldosas, ladrillos refractarios y otros productos, que serán abordados en el apartado de materiales cerámicos.

1.3.- Rocas metamórficas Las rocas metamórficas proceden de la transformación, en su composición mineralógica y estructural, de las rocas ígneas o sedimentarias debido a grandes presiones y/o temperaturas, producidas en el interior de la Tierra. Las rocas más importantes son el mármol y la pizarra.

1.3.1. Mármol. Los mármoles son una variedad cristalina y compacta de caliza metamórfica, que puede contener minerales accesorios como mica, serpentina, grafito, óxidos de hierro, etc. Estas impurezas proporcionan a los mármoles una amplia variedad de colores, que junto a la estructura del mismo, producen diferentes efectos y que sirven para su clasificación. Según esta clasificación, los mármoles se dividen en: sencillos, que poseen un solo color uniforme; policromos, que presentan diferentes colores; veteados, que presentan listas de color diferente al del fondo; arborescentes, si tienen dibujos veteados; lumaquetas, si contienen caracoles y conchas (proceden de las calizas lumaquelas); y brechas, formados por fragmentos angulosos de diferente coloración. También es posible clasificar a los mármoles por el uso a que destinen, tenemos entonces: mármoles estatutarios, que son de color uniforme, compactos, traslúcidos y de fácil labra; y mármoles arquitectónicos, que son resistentes y de bellas coloraciones, empleados en pavimentos y decoración. Una de las principales propiedades que caracterizan a los mármoles es el que se pueden pulir hasta obtener un gran brillo. Es además un material poco poroso, de dureza media-baja (dureza 3 en la escala de Mohs), que resiste bien el hielo pero poco el desgaste por rozamiento.

1.3.2. Pizarra. La pizarra es una roca densa con grano fino, formada por el metamorfismo de esquisto micáceo y arcilla. El esquisto micáceo es el término común aplicado a las variedades de grano fino de roca sedimentaria formadas por consolidación de lechos de arcilla, mostrando laminaciones finas, paralelas a los planos de los lechos y a lo largo de las cuales la roca se rompe con fractura curva e irregular.



El proceso de metamorfismo produce la consolidación de la roca original y la formación de nuevos planos de exfoliación en los que la pizarra se divide en láminas características, finas y extensas. Aunque muchas rocas que muestran esta exfoliación se llaman también, por extensión, pizarras, la pizarra auténtica es dura y compacta y no sufre meteorización apreciable. La pizarra suele ser de color negro azulado o negro grisáceo, pero se conocen variedades rojas, verdes, moradas, etc.; son bastante blandas, pudiendo ser rayadas con un cuchillo y su tacto es suave, casi graso; son muy refractarias e impermeables, siendo estables al hielo. La pizarra se emplea en la construcción de tejados, como piedra de pavimentación y como "pizarras" o "pizarrones" tradicionales para escuela.

DENSIDAD

Con esta denominación se define la relación entre el peso de la r oca y su volu men , dado y como la mayoría de los sólidos, quedando tipo de volúmenes en aparente y real, así las rocas muy compactas ambos valores suelen llegar a ser casi iguales la densidad de la roca es proporcional a su dureza, pero no guarda una relación con su durabilidad y con su existencia.



Las piedras generalmente son cerca de veces más densas que el agua, por tanto el volumen de la piedra pesara aproximadamente tres veces más que el mismo volumen de agua. La densidad del agua es aproximadamente 1 gramo por centímetro cúbico (g/cm3), que son 62 libras-masa por pié cúbico (lb/pie3). Tres libras (1,36 kg) de agua ocuparán 84 pulgadas cúbicas (1.360 centímetros cúbicos). Densidades típicas de algunas rocas son: - Basalto 3 g/cm3 (187 lb/pie3) - Granito 2,7 g/cm3 (169 lb/pie3) - Arenisca 2,3 g/cm3 (144 lb/pie3) Algunas rocas son muchas más pesadas y otras mucho más ligeras de aquellas que se mencionaron anteriormente. Por ejemplo, la piedra pómez es una piedra de formación de lava volcánica espumosa petrificada, está llena de espacios con aire, como una esponja Algunos ejemplos de piedra pómez tienen la mitad de la densidad del agua, unos 0,5 g/cm3 (31 lb/pie3)

COMPACIDAD Y POROSIDAD La compacidad era relación de la densidad aparente a la densidad real, valores acerca más a la unidad cuanto mayor sea la compacidad de la roca. La porosidad es la relación entre el total de huecos existentes en la roca y su volumen aparente. -Porosidad diferencial: hace referencia a la presencia de espacios vacíos de diversos tamaños en la roca. Se expresa como fracciones del volumen total de espacios vacíos de un determinado rango: Porosimetríade Hg.

HELACIDAD Esta denominación marca la tendencia de la roca a disgregarse por acción de las heladas. El agua al helarse aumenta un 10% su volumen, si una piedra no tiene la cohesión



suficiente para resistir esta dilatación del agua absorbida por sus poros, se agrietara hasta llegar la liquidación disgregación de sus granos y, en este último caso, se dirá que la roca que heladiza.

DUREZA Resistencia de las roca se pospone hasta basadas por otro cuerpo. La dureza sumida segunda escala de Mohs, formada por diez minerales en orden creciente: 01 talco 02 yeso 03 calcita 04 fluorita 05 apatita 06 feldespato 07 cuarzo 08 topazio 09 corindón 10 diamante

Las rocas, según su dureza, se clasificarán en blandas, medianas, dura y muy duras.



RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN Las rocas apenas si pueden trabajar en otro esfuerzo de no sean dos de compresión simple, al resistir muy mal cualquier otro tipo de esfuerzo la resistencia a la compresión es el ensayo más importante a realizar en una piedra. Se efectúa con probetas cúbicas que varían entre cinco y diez centímetros, según la empresa. En la obra, 5 cm; en las deudas 7 centímetros de la blandas 10 cm. La probeta de de ensayo se corta con una sierra de carborundum, se coloca sobre un lecho de lamisma cantera y se aplica el peso con la prensa hidráulica. La forma de ruptura variará según la naturaleza de la piedra. Para calcular la resistencia a la flexión se acepta como coeficiente la décima parte de la compresión, para la cordadura 1/15 parte y para la tracción 1/30.

RESISTENCIA AL DESGASTE Este dato sirve para medir la actitud de las piedras para dejarse trabajadas según determinadas formas o métodos y con especiales características de superficie de acabado. Las principales operaciones a realizar para la elaboración de las rocas son: el aserrado, el pulimiento y el esculpido.



El aserado depende de la dureza del material, de la cohesión y de la cementacion d ela particulas o minerales que lo componen. El pulimiento en las rocas de estructura compacta y compreción homogenea tiene la facultad de conseguir superficies pulidas y brillanerres. Las calizas compactas, los mñarmoles y los granitos, son las más idóneas para este tratamiento. Los mñarmoles y las calizas compactas pierden brillo si se clocan en el exterior, mientras que, en canbio, el granito es inalterable. Las rocas porosas, tobas areniscas y calizas blandas no admiten el pulido El esculpido es el trabajo que se realiza con las herramientas del escultura, como el cincel, el escoplo, el puntero y otros. Laos factores que determinan la mayor o menor aptitud de una roca a esta clase de elaboración son la uniformidad en el color y la finura de su grano. El material pétro clásico para el esculpido es el mármol y, especialmente, el blanco estatuario.

PIEDRAS MÁS EMPLEADAS EN LA CONSTRUCCIÓN Las rocas pueden ser útiles por sus propiedades fisicoquímicas (dureza, impermeabilidad, etc.), por su potencial energético o por los elementos químicos que contienen. Siguiendo este criterio, las rocas pueden clasificarse en: Rocas

industriales.

Son

rocas

que

se

aprovechan

por

sus

propiedades

fisicoquímicas, independientemente de las sustancias y la energía que se pueda extraer. Se usan mayoritariamente en la construcción de viviendas y en obras públicas. Destacan las gravas y arenas, que se utilizan como áridos.



De 3 maneras principales se utilizan las piedras en la construcción: * Como elemento resistente. * Como elemento decorativo. * Como materia prima para la fabricación de otros materiales.

MATERIALES AGLOMERANTES. Los materiales aglomerantes son aquellos materiales que, mezclados con agua, forman una masa plástica capaz de adherirse a otros materiales, y que al cabo del tiempo, por efectos de transformaciones química, fraguan, es decir, se endurecen reduciendo su volumen y adquiriendo una resistencia mecánica. Los materiales aglomerantes se suelen clasificar en aéreos e hidráulicos. Los aglomerantes aéreos son los que fraguan y endurecen en el aire, siendo incapaces de adquirir cohesión en un medio húmedo. Dentro de este grupo se encuentran el yeso y la cal grasa o aérea. Por su parte, los aglomerantes hidráulicos son aquellos que fraguan y endurecen en el aire y en un medio húmedo. Dentro de este grupo están el cemento y la cal hidráulica, así como los morteros y hormigones.

Yeso. Se trata de uno de los aglomerantes más conocidos y utilizados desde la antigüedad. Se obtiene por la deshidratación parcial o total de la piedra de yeso o algez, que es un mineral cuya composición química es sulfato cálcico dihidratado, y también de la anhidrita, que es el sulfato cálcico anhidro, aunque este mineral absorbe rápidamente agua convirtiéndose en algez. Entre las principales características del yeso tenemos: gran velocidad de fraguado, aunque se puede retardar añadiéndole aceites o alcohol; se adhiere a todos los materiales salvo la madera; Es tenaz y blando; buen aislante térmico y acústico; resistencia a la tracción y compresión variable según las impurezas y la cantidad de agua empleada en el amasado. El principal inconveniente del yeso es ser un material muy higroscópico, impidiendo su uso en ambientes exteriores, en donde terminaría disolviéndose. Otro efecto de su avidez por el agua es que oxida rápidamente a los materiales ferrosos, por lo que no debe emplearse en la sujeción de materiales férricos. Para obtener el yeso, se tritura el mineral y se somete a una temperatura de 180ºC. Una vez deshidratado se muele hasta reducirlo a polvo. Tal y como se ha indicado, la deshidratación puede ser parcial o total, hecho que se emplea para clasificar a los yesos. Así, tendremos yesos semihidratados, que contienen media molécula de agua, y los yesos anhidros.



Dentro de los yesos semihidratados, que son los más empleados en la construcción tenemos tres variantes: yeso negro, yeso blanco y escayola. El yeso negro es el que se obtiene con el algez impuro directamente calcinado, con una pureza en yeso semihidratado del 60%, siendo de baja calidad y sólo se emplea cuando no va a quedar a la vista. El yeso blanco se obtiene del algez purificado y contiene un 80% de yeso semihidratado, es de color blanco y es el empleado para enlucir paredes interiores, en estucos y en blanqueos. La escayola es un yeso blanco de mejor calidad, contiene un 90% de yeso semihidratado, finamente molido, empleándose en la elaboración de elementos decorativos como cenefas, falsos techos, y también en molduras y vaciados. Los yesos anhidros son, en general, poco empleados y se obtienen al someter el algez a temperaturas más elevadas. Así, tenemos diferentes tipos según la temperatura de deshidratación: Anhidrita soluble que se obtiene a 180-300ºC, es muy higroscópica formando yeso semihidratado rápidamente; Anhidrita insoluble que se obtiene a 300-600º, también denominada yeso muerto porque reacciona tan lentamente con el agua que ésta se evapora antes; Yeso hidráulico, también llamado yeso de pavimento, se forma a 900-1000º, y fragua muy lentamente bajo agua (24-48h), pero al aire lo hace sólo en 5h; Yeso alúmbrico, también llamado cemento keene’s, se obtiene a partir del yeso semihidratado sumergiéndolo en una solución al 12% de alumbre a una temperatura de 35º. Es de fraguado lento (1-4h), no presentando expansión ni contracción, pudiendo ser pulido asemejándose al mármol.

Características





FABRICACIÓN Las figuras muestran de forma esquemática y mediante bloques el diagrama de flujo del procesado del yeso.

FABRICACIÓN: Afino, mezclado y aditivado


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AFINO: los productos obtenidos en la etapa anterior son sometidos a un afinado ó molienda para conseguir tamaños de partículas adecuados según el producto final a conseguir. Para realizar esta operación son utilizados los siguientes elementos en función de la granulometría a conseguir:

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Yesos de construcción: necesitan tener un tamaño granulométrico comprendido entre 0 y 1,5mm. Para ello es suficiente utilizar molinos de martillos, a velocidad media de 900-1200 rpm, en circuito cerrado con el cribado para garantizar su granulometría final.

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Escayolas: necesitan tener un tamaño granulométrico comprendido entre 0 y 200 micras. Para conseguir este tamaño de partícula se utilizan molinos de espigas/pitones a gran velocidad 2000-3000 rpm y separadores centrífugos. En las fotografías siguientes se muestra uno de ellos con detalles del rotor y de la parrilla que debe atravesar el producto.

Yeso para hacer CARTÓN YESO (PLADUR): El horno flash realiza a menudo también la molienda conjunta dejando un producto por debajo de 300 micras, y ayudado por medio de ciclones y filtros para la captación de este tamaño.



MEZCLADO: esta operación consiste en la dosificación gravimétrica de los componentes mayoritarios (SH, ANH) y los componentes minoritarios (aditivos: retardadores, retenedores, etc) hacia las mezcladoras. Según el diseño que se requiera del producto final se realizan diferentes formulaciones , que nos permiten realizar “yesos a la carta ”. Estas mezcladoras pueden ser de diferentes tipos según la precisión a conseguir y producción pudiendo ser contínuas o discontínuas. Normalmente suele haber mejor control en sistemas discontínuos y teniendo un sistema de control automatizado.

ENVASADO - CARGA: una vez los productos han sido mezclados son conducidos a silos para su posterior envasado y paletizado, ó bien a su distribución a granel.

USOS Su principal utilización es la producción de escayola.

Medicina:

Igualmente como material de construcción en edificios temporales, para enyesado de paredes, molduras y vaciados.

Curso de tecnología de Materiales para la ingeniería civil.

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