IMPORTANCIA DE LA QUÍMICA EN LA INGENIERÍA CIVIL Procesos de evolución en la Ingeniería Civil
La Ingeniería Civil es una de las ramas de la ingeniería que aplica los conocimientos de química, física y geología a la elaboración de infraestructura como edificios, carreteras, obras hidráulicas, entre otras.
TABLA DE ILUSTRACIONES Ilustración 1: Laboratorio químico del siglo XVIII ............................................................... .......................................................................... ........... 2 Ilustración 2 La Ciudad de Menfis ................................................................................................ ................................................................................................ 5 Ilustración 3 Simulación de la ciudad Babilonia ................................................................... ........................................................................... ........ 5 Ilustración 4 Ruinas de Acrópolis ...................................................................................... ................................................................................................. ........... 6 Ilustración 5 Coliseo Romano .......................................................... ....................................................................................................... ............................................. 7 Ilustración 6 Acueducto de Segovia ............................................................ ............................................................................................. ................................. 7 Ilustración 7 Gran Muralla China ................................................................. .................................................................................................. ................................. 8 Ilustración 8 Catedral Beauvais - Francia ............................................................................. ..................................................................................... ........ 9 Ilustración 9 Presa Hoover .......................................................................... ......................................................................................................... ............................... 11 11 Ilustración 10 Islas Palm ................................................................... ............................................................................................................. .......................................... 11 11 Ilustración 11 Qingdao Haiwan - China .................................................................. ...................................................................................... .................... 11 Ilustración 12 Procesos de la Ingeniería Civil con la Química .................................................... 16
INTRODUCCIÓN
Este presente trabajo de investigación como su nombre lo indica, son los procesos químicos en la ingeniería civil, ¿Será necesaria su ut ilidad?, para responder ésta y otras preguntas se organizó cinco capítulos, a fin de obtener un panorama más amplio del tema a tratar. A si mismo la elección de este tema tema de la monografía nos permite ampliar nuestros conocimientos previos y fortalecerlos con nueva información, no solo en conceptos, sino sus aplicaciones y principalmente la importancia que tiene en la Ingeniería Civil.
CONTENIDO 1.
CAPITULO I: QUÍMICA E INGENIERÍA CIVIL .............................................................. 1 1.1.
HISTORIA .................................................................................................................... ................................................................................................................... 2
1.1.1.
............................................................................................................. 2 QUÍMICA ..............................................................................................................
1.1.2.
LA INGENIERÍA CIVIL ....................................................................................... ...................................................................................... 3
2. CAPITULO II: RELACIÓN, IMPORTANCIA Y CAMPO DE ACCIÓN DE LA ................................................................................... 12 QUÍMICA EN LA INGENIERÍA I NGENIERÍA CIVIL .................................................................................... 2.1.
RELACIÓN ENTRE LA QUÍMICA Y LA INGENIERÍA CIVIL ............................. ............................ 13
2.2.
IMPORTANCIA DE LA QUÍMICA EN LA INGENIERÍA CIVIL .......................... 13
2.3.
CAMPO DE ACCIÓN DE LA QUÍMICA EN LA INGENIERÍA CIVIL ................ 17
1. CAPITULO I: QUÍMICA QUÍMICA E INGENIERÍA CIVIL
1.1.
HISTORIA Para crecer como país, Perú necesita generar materias primas con un valor agregado. Seguro han escuchado esta idea muchas veces. Pero, ¿sabes cómo lograrlo? Los Ingenieros Civiles junto con los químicos están preparados para transformar y enriquecer nuestros bienes naturales a través de la innovación tecnológica. 1.1.1.
QUÍMICA La historia de la química abarca un periodo de tiempo muy amplio, que va desde la prehistoria hasta el presente, y está ligada al desarrollo cultural del hombre y su conocimiento de la naturaleza. Las civilizaciones antiguas ya usaban tecnologías que demostraban su conocimiento de las transformaciones de la materia, y algunas servirían de base a los primeros estudios de la química. Entre ellas se cuentan la extracción de los metales de sus menas, la elaboración de aleaciones como el bronce, la fabricación de cerámica, esmaltes y vidrio, las fermentaciones de la cerveza y del vino, la extracción de sustancias de las plantas para usarlas como medicinas o perfumes y la transformación de las grasas en jabón. Ni la filosofía ni la alquimia, la protociencia química, fueron capaces de explicar verazmente la naturaleza de la materia y sus transformaciones. Sin embargo, a base de realizar experimentos y registrar sus resultados los alquimistas establecieron los cimientos para la química moderna.
Ilustración 1: Laboratorio químico del siglo XVIII
La
primera
reacción
química
de
importancia
que
controlaron los humanos fue el fuego. Hay restos datados hace alrededor de 500 000 años que atestiguan el dominio del fuego, al menos desde los tiempos del Homo erectus. Este logro se considera una de las tecnologías más importantes de la historia. No solo proporcionaba calor y luz para alumbrarse, o servía para despejar los bosques o de protección contra los animales salvajes, sino que fue la base para el control de otras reacciones químicas, como las derivadas de la cocción de los alimentos (que facilitaron su digestión y disminuían la cantidad de microorganismos patógenos en ellos) y más tarde de tecnologías más complejas como la cerámica, la fabricación de ladrillos, la metalurgia, el vidrio o la destilación de perfumes, medicinas y otras sustancias contenidas en las plantas. Aunque el fuego fuera la primera reacción química usada de manera controlada, las culturas antiguas desconocían su etiología. 1.1.2.
LA INGENIERÍA CIVIL La Ingeniería Civil es una de las ramas de la ingeniería que aplica los conocimientos de química, física y geología a la elaboración de infraestructura como edificios, carreteras, obras hidráulicas, entre otras. La historia de la ingeniería civil comenzó en el momento en que nos dimos cuenta de que no existían suficientes cuevas para todos, por lo que la ingeniería civil es una de las prácticas más antiguas de la humanidad, la cual dio inicio a causa de la necesidad del hombre de buscar nuevas formas de hábitat. Entre los primeros ejemplos de grandes construcciones están las pirámides de Egipto, en los años de 2700 y 2500 a.C., aunque se dice que los grandes constructores, que dieron un origen verdadero a la ingeniería civil, fueron las civilizaciones romanas, que crearon calzadas, acueductos,
puertos, puentes, presas y alcantarillados, que ayudaron a mejorar la calidad de vida de sus comunidades. Las diferentes culturas marcaron un importante hito en el desarrollo de la historia de la ingeniería civil, ya que sus primeros pasos los dieron sociedades como la egipcia, romana, mesopotámica, griega, oriental y europea, que fueron creando modelos civilizados a partir de sus diferentes necesidades. Por ejemplo, algunos tenían la necesidad de mantener sus culturas y religiones, y por eso creyeron oportuno construir grandes templos que les permitieran seguir rindiéndole culto a sus deidades, mientras otros simplemente necesitaban
lugares
donde
alojarse
para
poder
establecerse en los lugares donde migraban. El desarrollo de la ingeniería paso de cultura a cultura, entre ellas se encuentran jerárquicamente la Egipcia, Mesopotámica, Griega, Romana, Oriental y Europea hasta lo que es ahora en nuestros días. Veamos algunas construcciones que revolucionaron la construcción en la antigüedad:
INGENIERÍA EGIPCIA Los egipcios han realizaron algunas de las obras más grandiosas de la ingeniería de todos los tiempos, como el muro de La Ciudad de Menfis, fundada alrededor del 3050 a.C. por el primer faraón de Egipto, Menes. Tiempo después de construir el muro, Kanofer, arquitecto real de Menfis, tuvo un hijo a quien llamó Imhotep, los historiadores lo consideran como el primer ingeniero conocido.
Ilustración 2 La Ciudad de Menfis
INGENIERÍA MESOPOTÁMICA Al inicio de la historia, un pueblo de origen desconocido, los sumerios, construyó murallas para ciudades y templos y excavó acequias que pueden haber sido los primeros logros de ingeniería del mundo. Los sumerios fueron
gradualmente
superados
por
considerable
inmigración de nómadas árabes, que pasaron a ser campesinos y moradores de la ciudad. La ciudad de Babilonia, que así se formó, fue la sede de una cantidad de imperistas de poca duración, hasta ser conquistada posteriormente por los asirios.
Ilustración 3 Simulación de la ciudad Babilonia
Los asirios eran un pueblo guerrero y fueron los primeros en emplear armas de hierro. Ya se conocía la manufactura del hierro desde siete u ocho siglos antes,
pues la había descubierto la tribu de los Chalibas en Asia Menor. Los asirios también inventaron la torre de asalto, que se convirtió en una pieza estándar del equipo militar durante los dos mil años siguientes, hasta que la invención del cañón la hizo obsoleta.
INGENIERÍA GRIEGA La historia griega inicio hacia el año 700 a. de J.C., y al periodo desde aproximadamente 500 hasta 400 a. de J.C., se le llama “Edad de Oro de Grecia”. Los griegos
desempenaron una cantidad sorprendente de logros significativos en las áreas del arte, filosofía, ciencia, literatura. A los constructores de este periodo se les llamaba “arquitekton”, que quería decir que habían cumplido un
periodo como aprendiz (adiestramiento practico) en los métodos estándar de construcción de edificios públicos.
Ilustración 4 Ruinas de Acrópolis
INGENIERÍA ROMANA Los romanos fueron los mejores ingenieros de la antigüedad, aplicaron mucho de lo que les había precedido; seguían los patrones de las antiguas sociedades pero con más perfección, de tal forma que la
ingeniería
ya
estaba
más
desarrollada
e
iba
evolucionando. En su mayor parte, la ingeniería romana era civil, especialmente en el diseño y construcción de obras permanentes
tales
como
acueductos,
carreteras,
puentes y edificios públicos. Uno de los grandes triunfos de la construcción pública durante este periodo fue el Coliseo originalmente llamado Anfiteatro Flavio, que fue el mayor lugar de reunión pública con un aforo para 50000 espectadores y con ochenta filas de gradas y se utilizó durante casi 500 años.
Ilustración 5 Coliseo Romano
Ilustración 6 Acueducto de Segovia
INGENIERÍA ORIENTAL Después de la caída del Imperio Romano, el desarrollo ingenieril se trasladó a India y China. Los antiguos hindúes eran diestros en el manejo del hierro y poseían habilidades para fabricar buen acero desde los tiempos de los romanos y durante dos siglos, la capital mundial de la ciencia fue Jundishapur, India. Aproximadamente en 700 d. de J.C., un monje de Mesopotámica llamado Severo Sebokht dio a conocer a la civilización occidental el sistema numérico indio, que desde entonces hemos llamado números arábigos. Dentro de sus mas grandes realizaciones se encuentra la Gran Muralla China; es una antigua fortificación construida para proteger el imperio de China desde el siglo III a. C. de los ataques de los nómadas xiongnu de Mongolia y Manchuria. El principal propósito del muro no era impedir que fuera atravesado, sino más bien impedir que los invasores trajeran caballerías con ellos.
Ilustración 7 Gran Muralla China
INGENIERÍA EUROPEA Volvemos a la época del llamado "Oscurantismo" en el periodo medieval, abarcó desde aproximadamente 500
hasta 1500 d.C. Durante este periodo no existían las profesiones de ingeniero o arquitecto, de manera que esas actividades quedaron en manos de los artesanos, tales como los albañiles maestros. En la década de 1500 ocurrió una serie de descubrimientos científicos importantes en la ingeniería y matemáticas, lo que sugiere que aunque se había restado importancia a la ciencia, estaba ocurriendo una revolución en el razonamiento con relación a la naturaleza y actividad de la materia.
Ilustración 8 Catedral Beauvais - Francia
Uno de los descubrimientos más importantes en la historia de la ingeniería mecánica lo realizó Simón Stevin en Holanda, a fines de la década de 1500. Mediante el “triángulo de fuerzas", permitió a los ingenieros manejar
fuerzas resultantes que actuaban en los miembros estructurales. Stevin escribió un tratado sobre fracciones y también realizó trabajos que llevaron al desarrollo del sistema métrico. Por el mismo tiempo tuvo lugar una diversidad de descubrimientos
matemáticos
de
consideración.
Alrededor de 1640, Fermat y Descartes descubrieron independientemente
la
sacerdote
llamado
inglés
geometría
analítica.
William
Un
Oughtred,
aproximadamente en 1622, diseñó la primera regla de cálculo basada en la suma de logaritmos para obtener el producto de dos números.
LA INGENIERÍA INGENIERÍA HOY HOY EN LA ACTUALIDAD ACTUALIDAD Con el paso de los años la ingeniería ha cambiado mucho, simplificándose de la mano de los avances tecnológicos. Las tecnologías de la actualidad han cambiado muchísimo la forma de trabajo para un ingeniero o un arquitecto. Hoy muchas cosas que antes se hacían a mano, se pueden hacer con la ayuda de la computadora,
mejorando
el
desempeño
de
los
trabajadores y ahorrándoles mucho tiempo que pueden utilizar para otras tareas. La actualidad de los ingenieros civiles es muy distinta que la de años atrás. Hoy los programas de cálculo y las computadoras son un “gran amigo” para todo ingeniero
ya que casi todos los problemas pueden ser solucionados recurriendo al programa adecuado. En un principio y a lo largo de muchos años, los cálculos de las edificaciones eran calculados a mano y para cualquier problema se recurría a tablas extensas. Pero hoy en día, eso cambio, y con insertar adecuadamente los datos a un programa de computadora, el mismo se encarga de resolver el cálculo. A continuación veremos unas fotos de construcciones que se realizaron hoy en día:
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Ilustración 10 Islas Palm
Ilustración 9 Presa Hoover
Ilustración 11 Qingdao Haiwan - China
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2. CAPITULO II: RELACIÓN, IMPORTANCIA Y CAMPO DE ACCIÓN DE LA QUÍMICA EN LA INGENIERÍA CIVIL
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2.1.
RELACIÓN ENTRE LA QUÍMICA Y LA INGENIERÍA CIVIL Gracias a la química la ingeniería puede romper siempre sus límites llevando las construcciones a otros niveles inimaginables debido a sus avances en cuanto a los materiales, que cada vez son mejores y más resistentes ; son mejores en una infinidad de aspectos y todo esto se lo debemos a la química. Una de las principales áreas de desarrollo de la Ingeniería Civil es la industria de la construcción, donde es indispensable el empleo de cementos y concretos de diferentes tipos; por ejemplo concretos de fraguado rápido, concretos que inhiben el crecimiento de bacterias, concretos impermeables etc. Las diferencias en las características físicas y químicas de cada concreto dependen de su composición química; por lo que, resulta de singular importancia que nosotros los ingenieros civiles conozcamos los conceptos de: unidades de concentración, fuerzas intramoleculares, fuerzas intermoleculares y estructuras cristalinas, que le serán útiles para comprender y aprovechar al máximo las características de cada concreto. Un fenómeno común en la industria de la construcción es la corrosión de las estructuras metálicas; la cual no es otra cosa que una reacción electroquímica, que bien puede evitarse, minimizarse o incluso hacerse reversible. Otras áreas importantes de desarrollo de los ingenieros civiles, son la Ingeniería Ambiental y la Ingeniería Sanitaria, en las cuales el profesional que pretende aplicar métodos de tratamiento físicos y químicos, de purificación a las aguas residuales, debe de entender claramente conceptos básicos como concentraciones (molar, normal, ppm, o porcentaje en peso), pH, teorías ácido-base y las técnicas de valoración del grado de acidez de una sustancia.
2.2.
IMPORTANCIA DE LA QUÍMICA EN LA INGENIERÍA CIVIL Conocer el comportamiento de algunos tipos de materiales, en la química verás cómo se comporta cada uno y sus propiedades.
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Gracias a la química el ingeniero civil puede romper siempre sus límites llegando a construcciones inimaginables inimaginables debido a los avances en sus materiales, que cada vez son mejores y más resistentes. La Química es de las primeras ciencias que se conocen y que se han desarrollado para obtener distintas aplicaciones, ya que es la ciencia que estudia la materia, sus cambios y todo lo que la rodea. Al estar todo compuesto de materia, es una programa esencial para conocer las propiedades de los materiales indispensables para la ejecución de las actividades del Ingeniero civil como dominante de su profesión. La Ingeniería Civil estudia materiales para la construcción, por eso llevamos tantas asignaturas acerca del comportamiento, resistencia y diseño de materiales. Pues cualquier metal que utilicemos en la construcción tiene distintas propiedades, estas propiedades pueden mejorar demasiado si combinas dos o más tipos de metales, o sea una aleación, como es el acero, el acero es la base del diseño en ingeniería civil, junto con el concreto. El acero mejora su resistencia de acuerdo al contenido de carbono de este, pero se comporta de una manera diferente a la vez, en esta parte entra la química en la ingeniería civil. Por otro lado tenemos al concreto, que se crea a partir del cemento, grava, arena y agua, en todo esto interviene la química, al obtener la densidad de estos materiales, de acuerdo a su mineralogía, (cristales), que también dependen de la estructura molecular de los minerales que los componen, de la misma forma se puede analizar los distintos tipos de suelos de acuerdo a las rocas de las que provienen, estas rocas, se clasifican por la distribución de sus cristales; bueno, el cemento también tiene mucho que ver con química, ya que reacciona directamente con el agua para poder fraguar, existen varios tipos de cemento, todos estos los estudian más la química que la misma ingeniería civil.
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Otra cuestión importante es el hecho de los aditivos para el concreto, todos estos aditivos los estudia la química, y existen varios tipos, bueno, primero los aditivos son sustancias que se le puede agregar al concreto para mejorar sus características de acuerdo a como nos convenga, pueden desde retardar o acelerar el proceso de fraguado, hasta quitar el color al concreto, es decir hacer un concreto transparente, todos estas sustancias también se analizan de acuerdo a su comportamiento físico - químico. También es importante por otra cuestión del ingeniero civil, la hidráulica, siempre que trabajamos con agua invariablemente manejamos a la química, tiene un peso específico, una densidad, una viscosidad dinámica, en fin, se comporta como todo un fluido, y adivina que rama del conocimiento está encargada de estudiar los fluidos, pues la química. Los materiales, que se usan para construcción, ya sea de una casa, un puente, un edificio, etc., están hechas de moléculas, y estas asimismo de átomos, esto implica a la química directamente, por lo cual, es necesario que un Ingeniero, conozca las características básicas de los materiales que se utilizan, y que en una construcción específica, con un diseño que implique nuevos materiales, pueda comprenderlos y escoger los más adecuados para la edificación, porque los comprende y conoce sus características químicas y físicas. En la actualidad, con el conocimiento que se tiene sobre las reacciones químicas, es posible, la mayoría de las veces, fabricar “materiales sobre pedido”; es decir, materiales que reúnan ciertas
características deseables, si no es que ideales para el fin al cual serán destinados. Sin embargo, por lo general, no son los químicos los encargados de aprovechar las propiedades de los materiales; de esto se encargan principalmente los ingenieros civiles, ya que, valga la expresión, “con su ingenio, son capaces de aprovechar al máximo
las características y las propiedades de un material particular”.
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Por lo anterior, todo ingeniero, debe tener una educación integral en el conocimiento de los principios básicos de las ciencias exactas, entre las que se encuentran la química, a fin de que se pueda comprender, lo mejor posible, los cambios que ocurren no sólo en la naturaleza, sino también en los procesos industriales y en los eventos de la vida diaria; además, esos conocimientos le proporcionan las herramientas necesarias para que, pueda optimizar procesos, explicar fenómenos y crear o mejorar dispositivos que redunden en beneficios a la sociedad. Adicionalmente a lo anterior, resulta de singular importancia que el ingeniero conozca el lenguaje técnico básico de las ciencias exactas, para que pueda comprender los avances científicos y tecnológicos. En la ingeniería civil la química es de mucha utilidad ya que a partir de ella, los ingenieros civiles puede minimizar los impactos negativos en sus estructuras y el medio ambiente, ya que permite conocer las propiedades de los materiales que son indispensables para la ejecución de las actividades correspondientes a la ingeniería civil como las construcciones y de esta manera optimizar su calidad, y a la vez mejorar o crear instrumentos que sean beneficiosos para la comunidad y el desarrollo de su carrera profesional. Algunos de estos materiales son utilizados en la ingeniería civil y en los que intervienen procesos químicos son: cemento, hormigón, metales, madera, pinturas, plástico, etc.
Ilustración 12 Procesos de la Ingeniería Civil con con la Química
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2.3.
CAMPO DE ACCIÓN DE LA QUÍMICA EN LA INGENIERÍA CIVIL La era que e stamos viviendo se conoce como “ ERA ATÓMICA” y el átomo es la base del estudio de la química; por lo tanto, vivimos en la Era de la Química y en consecuencia se debe pensar en profesionales egresados de las áreas de Ciencias Exactas e Ingenierías, en cuya preparación académica, se incluyan los conocimientos de las transformaciones permanentes de la materia, sus cambios de energía, estructura, propiedades y su relación con el entorno como base formativa general para la posterior aplicación de los conceptos y métodos de la ciencia.
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