Libro de Tecnologia de Materiales

[UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS]

TECNOLOGÍA DE MATERIALES

CAPITULO I PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES 1.1. GENERALIDADES La palabra material proviene del término latino “materialis” y hace referencia a aquello perteneciente o relativa a la materia, que es opuesto a lo espiritual. De todas maneras el concepto tiene diferentes usos según el contexto. Para la ciencia un material es cualquier conglomerado de materia o masa. En ingeniería un material es una sustancia (compuesto químico) con alguna propiedad útil, ya sea mecánica, eléctrica, óptica, térmica o magnética. a. Materia Prima: Se define como materia prima a todos los elementos que se intuyen en la elaboración de un producto, es todo aquel elemento que se transforma e incorporan en un producto final. Un producto terminado tiene incluido una serie de elementos y subproductos que mediante un proceso de transformación permitieron la confección de un producto final. La materia prima que ya ha sido manufacturada pero todavía no constituye un bien de consume se denomina producto semielaborado, semiacabado o producto en proceso. b. Material: Desde el punto de vista tecnológico, material es la materia transformada, en su forma o en su esencia con la finalidad de cumplir alguna función. Pueden ser de origen natural (se encuentra como tal en la naturaleza) o de origen artificial (resultado de algún proceso de fabricación). En general provienen del medio natural como materia prima, de donde se obtienen por diferentes métodos. c. Tecnología De Los Materiales: Es el estudio y puesta en práctica de técnicas de análisis, estudios físicos y desarrollo de materiales. Está centrada en los aspectos esenciales de los materiales, para entender la manera en la que se emplean o deberían emplearse, para predecir el comportamiento que pueden presentar en distintas circunstancias y en distintos ambientes. 1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES Para estudiar los materiales pueden hacerse diferentes clasificaciones atendiendo a distintas características. 1.2.1. Según su origen: a. Materiales naturales: 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. 1

Ing. Jean Edison Palma Vañez



b. Materiales artificiales: 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). c. Materiales sintéticos: Están fabricados por el hombre a partir de materiales artificiales. No se encuentran en la naturaleza ni tampoco los materiales que los componen. El ejemplo más característico lo constituyen los plásticos, como la baquelita, que se obtiene a partir de dos materiales artificiales: formol y fenol. Durante los últimos cien años se han descubierto multitud de materiales, así como nuevos métodos de fabricación (p.e. la vulcanización). 1.2.2. Según estructura interna Los materiales se clasifican generalmente en cinco grupos: metales, cerámicos, polímeros, semiconductores y materiales compuestos. Los materiales de cada uno de estos grupos poseen estructuras y propiedades distintas. a. 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. b. 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. c. 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. d. Semiconductores: Su conductividad eléctrica puede controlarse para su uso en dispositivos electrónicos. Son muy frágiles. e. 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. 2



1.3.


PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Cada material tiene propiedades que lo diferencian de los demás y determinan lo que puede hacerse con él. Las principales propiedades las podemos clasificar de la siguiente manera: PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

FÍSICAS

TÉRMICAS

ACÚTICAS

Formas y dimensiones

Peso específico

Calor específico

Dilatación

Densidad

Porosidad

Transmisión de calor

Reflexión de calor

Permeabilidad

Capilaridad

Transmisión y Reflexión del sonido

Higroscopía

OPTICAS

Color

Transmisión de la luz

QUÍMICAS

Reflexión de la luz

MECÁNICAS

Composición química

Resistencia

Tenacidad

Estabilidad química

Elasticidad

Plasticidad

Maleabilidad

Ductibilidad

Fluencia

Rigidez

Dureza

Isotropía

1.3.1. PROPIEDADES FÍSICAS Las propiedades físicas son aquellas en las que se mantienen las propiedades originales de la sustancia ya que sus moléculas no se modifican a. Formas y Dimensiones: Es la apariencia externa que presenta un material. En el caso de los agregados las formas dependen del modo de transporte, pues las sub-redondeadas y las redondeadas dependen del choque que sufrieron al ser transportados por los ríos y las formas angulosas de las piedras y gravas no han sufrido transporte. Dimensiones: Varían de acuerdo al uso que se les va a dar. Ej. : Cuando las piedras son grandes y se quiere para concreto armado se trituran las piedras. b. Peso específico: Es el cociente entre el peso de un cuerpo y su volumen. Se calcula dividiendo el peso de un cuerpo o porción de materia entre el volumen que éste ocupa.

peso específico P: peso de la sustancia V: volumen que la sustancia ocupa : densidad de la sustancia aceleración de la gravedad 3




Dependiendo del volumen se puede considerar:  real: es el del material compacto  aparente: del material con poros  a granel: suelto o compacto c. Porosidad: Es la capacidad de un material de absorber líquidos o gases.  La capacidad de absorción de agua o porosidad másica se puede medir con la siguiente fórmula matemática:

Donde: : Masa de una porción cualquiera del material (en seco). Masa de la porción después de haber sido sumergido un fluido 

Esta última ecuación puede ser usada para estimar la proporción de huecos o porosidad volumétrica:

Donde: : Es la densidad del material (seco). : Es la densidad del agua. : Es la proporción de huecos (expresada en tanto por uno) Al Igual que la densidad, la porosidad admiten ciertos matices y se establecen distintos tipos, siendo los principales: la "porosidad total" y la "porosidad abierta". De acuerdo con las características de los espacios vacíos contemplados, pueden considerarse otros tipos de porosidad: "cerrada", "accesible" a un determinado fluido, “comunicada”, "efectiva" para un determinado comportamiento, etc.  La porosidad total (n): Se define como el volumen total de vacíos por unidad de volumen total de material. En este caso deben contabilizarse todos los espacios vacíos presentes: abiertos y cerrados, accesibles y no accesibles. Su valor no puede obtenerse de forma experimental, ya que incluye entre los espacios vacíos los no comunicados con el exterior (poros no accesibles). Su determinación se realiza de forma indirecta a partir del valor de ambas densidades. Conocida la densidad de las partículas sólidas ( ) y la densidad de la muestra seca ( ), la porosidad total (n) se calcula a partir de la expresión:  La porosidad abierta (nο): Se conoce también como porosidad accesible o comunicada, y se define de la misma forma como el volumen de poros abiertos (Va) o comunicados entre

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sí y con el exterior (accesibles al agua normalmente) por unidad de volumen total de roca (VT):

Esta porosidad se determina normalmente mediante técnicas experimentales, basadas en introducir un fluido en los poros y cuantificar su

Tabla Nº 1.2 Densidad y porosidad de rocas de edificación

volumen. El procedimiento más común es el método de la pesada hidrostática, en dicho ensayo se saturan los poros con agua (normalmente al vacío) de acuerdo con las especificaciones de la norma seguida y se obtiene la porosidad abierta “accesible al agua”. Otro método utilizado es por inyección de mercurio, en este caso se introduce mercurio a presión en los poros y a partir del volumen inyectado se determina la porosidad abierta "accesible al mercurio". En la mayoría de las rocas los valores obtenidos en ambos ensayos son parecidos, siendo ligeramente mayor la porosidad accesible al agua, ya que el mercurio no llega a introducirse en los poros muy pequeños (< 0,003 μm), y dicho ensayo tampoco considera los poros con accesos muy grandes (> 100 μm). En la tabla Nº 1.1 se recogen los valores de densidad y porosidad de distintos tipos de rocas empleadas como materiales en edificación. d. Permeabilidad: Es la capacidad de un material para que un fluido lo atraviese sin alterar su estructura interna. Se afirma que un material es permeable si deja pasar a través de él una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado, e impermeable si la cantidad de fluido es despreciable. La velocidad con la que el fluido atraviesa el material depende de tres factores básicos: -

La porosidad del material

-

La densidad del fluido considerado, afectada por su temperatura

-

La presión a que está sometido el fluido.

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Para ser permeable, un material debe ser poroso, es decir, debe contener espacios vacíos o poros que le permitan absorber fluido. A su vez, tales espacios deben estar interconectados para que el fluido disponga de caminos para pasar a través del material. Un ingeniero hidráulico francés de nombre Henry Darcy fue el primero que realizó estudios relacionados con el flujo de fluidos a través de medios porosos. En 1856 Darcy publicó su trabajo, en el cual se describían estudios experimentales de flujo de agua a través de filtros de arena no consolidada, los cuales tenían como objetivo procesar los requerimientos diarios de agua potable del pueblo de Dijon (Francia). El equipo utilizado por Darcy (figura 1.1) consistió en un gran cilindro que contenía un paquete de arena no consolidada de un metro de longitud, el cual estaba sostenido entre dos pantallas de gasa permeable. En cada extremo había un manómetro conectado, los cuales medían la presión en la entrada y la salida del filtro cuando se dejaba fluir agua a través del paquete de arena no consolidada. Figura Nº 1.1 Equipo experimental de Darcy

(

)

Donde: v = Velocidad aparente de flujo (cm/s). L = Longitud del empaque de arena (cm). Δh = Diferencia de los niveles manométricos (cm). K = Constante de proporcionalidad (permeabilidad). La velocidad, v, de la ecuación de Darcy es una velocidad aparente de flujo. La velocidad real de flujo se determina dividiendo la velocidad aparente entre la porosidad La permeabilidad en el SMD se mide en cm2 o m2. La unidad derivada de la Ley de Darcy, es el darcy, y habitualmente se utiliza el milidarcy: 1 Darcy = 9.86923x10-23 m2 6




OJO: Permeabilidad en el concreto La permeabilidad se refiere a la cantidad de migración de agua a través del concreto cuando el agua se encuentra a presión, o a la capacidad del concreto de resistir la penetración de agua u atrás sustancias (liquido, gas, iones, etc.). Generalmente las mismas propiedades que convierten al concreto menos permeable también lo vuelven más hermético. La permeabilidad total del concreto al agua es una función de la permeabilidad de la pasta, de la permeabilidad y granulometria del agregado, y de la proporción relativa de la pasta con respecto al agregado. La disminución de permeabilidad mejora la resistencia del concreto a la restauración, al ataque de sulfatos y otros productos químicos y a la penetración del ion cloruro. La permeabilidad también afecta la capacidad de destrucción por congelamiento en condiciones de saturación. Aquí la permeabilidad de la pasta es de particular importancia porque la pasta recubre a todos los constituyentes del concreto. La permeabilidad de la pasta depende de la relación Agua – Cemento y del agregado de hidratación del cemento o duración del curado húmedo. Un concreto de baja permeabilidad requiere de una relación Agua – Cemento baja y un periodo de curado húmedo adecuado. Inclusión de aire ayuda a la hermeticidad aunque tiene un efecto mínimo sobre la permeabilidad aumenta con el secado. La permeabilidad de una pasta endurecida madura mantuvo continuamente rangos de humedad de 0.1x10-12 cm/s para relaciones Agua – Cemento que variaban de 0.3 a 0.7 e. CAPILARIDAD: Es la capacidad que tiene un líquido de subir espontáneamente por un canal minúsculo. Debido a la tensión superficial, el agua sube por un capilar. Esto se debe a fuerzas cohesivas, es decir, fuerzas que unen el líquido; y a fuerzas adhesivas, que unen al líquido con la superficie del capilar. Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular (o cohesión intermolecular) entre sus moléculas es menor a la adhesión del líquido con el material del tubo (es decir, es un líquido que moja). El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y ésta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad. Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar (como el caso del mercurio), la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior, y su superficie es convexa

f.

HIGROSCOPIA: Es la capacidad de algunas sustancias de absorber o ceder humedad al medioambiente. También es sinónimo de higrometría, siendo esta el estudio de la humedad, sus causas y variaciones (en particular de la humedad atmosférica). Son higroscópicos todos los 7




compuestos que atraen agua en forma de vapor o de líquido de su ambiente, por eso a menudo son utilizados como desecantes. Algunos de los compuestos higroscópicos reaccionan químicamente con el agua como los hidruros o los metales alcalinos. Otros la atrapan como agua de hidratación en su estructura cristalina como es el caso del sulfato de sodio. El agua también puede adsorberse físicamente. En estos dos últimos casos, la retención es reversible y el agua puede ser desorbida. En el primer caso, al haber reaccionado, no se puede recuperar de forma simple. Algunos ejemplos de los compuestos higroscópicos más conocidos son:  Cloruro cálcico (CaCl2)

 Sulfato de cobre (CuSO4)

 Cloruro de Sodio (Halita)(NaCl)

 Pentóxido de fósforo (P4O10)

 Hidróxido de Sodio (NaOH)

 Silica gel

 Ácido sulfúrico (H2SO4)

 Miel

Para cada sustancia existe una humedad que se llama humedad de equilibrio, es decir, un contenido de humedad tal de la atmósfera a la cual el material capta humedad del ambiente a la misma velocidad que la libera. Si la humedad ambiente es menor que este valor de equilibrio, el material se secará, si la humedad ambiente es mayor, se humedecerá. Así, ciertos minerales como el cloruro de calcio son capaces de captar agua de la atmósfera en casi cualquier condición, porque su humedad de equilibrio es muy alta. Sustancias como estas son usadas como desecadoras. Otros ejemplos son el ácido sulfúrico, el gel de sílice, etc.

1.3.2.

PROPIEDADES TÉRMICAS Esta propiedad se describe como la reacción o el comportamiento de los materiales ante el calor.

a. CALOR ESPECÍFICO: Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se expresa en J/kg.K en ocasiones también se expresa en cal/g.ºC. El calor específico del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado. De acuerdo con la ley formulada por los químicos franceses Pierre Louis Dulong y Alexis Thérèse Petit, para la mayoría de los elementos sólidos, el producto de su calor específico por su masa atómica es una cantidad aproximadamente constante.

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Cuadro Nº 1.3. Calor Específico de algunas sustancias (J/kg . K) Hidrógeno Aire vapor de agua dióxido de carbono Agua Benceno Glicerina

14.212 1.000 1.920 836 4.180 1.881 2.420

hielo aluminio hierro cobre cinc estaño plomo

2.090 878 460 375 376 210

b. DILATACIÓN: Se llama dilatación al cambio de dimensiones que experimentan los sólidos, líquidos y gases cuando se varía la temperatura, permaneciendo la presión constante. La mayoría de los sistemas aumentan sus dimensiones cuando se aumenta la temperatura. Cuando un cuerpo recibe calor, sus partículas se mueven más deprisa, por lo que necesitan más espacio para desplazarse y, por tanto, el volumen del cuerpo aumenta. A este aumento de volumen se le llama dilatación Tipos de Dilatación  Dilatación Lineal: Más allá que la dilatación de un sólido suceda en todas las dimensiones, puede predominar la dilatación de apenas una de sus dimensiones sobre las demás. O aún, podemos estar interesados en una única dimensión del sólido. En este caso, tenemos la dilatación lineal (DL) Donde: 𝐿 : Dilatación lineal 𝐿𝑜 : Longitud inicial 𝛼 : Coeficiente de dilatación 𝑇 : Variación de temperatura

 Dilatación Superficial: La dilatación superficial corresponde a la variación del área de una placa, cuando sometida a una variación de temperatura. Las figuras a continuación, representan una placa rectangular a temperatura T o a temperatura T >To. Donde: 𝑆 : Dilatación superficial 𝐿𝑜 : Superficie inicial 𝛼 : Coeficiente de dilatación 𝑇: Variación de temperatura

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 Dilatación Volumétrica: En este tipo de dilatación, vamos a considerar la variación del volumen, esto es, la dilatación en las tres dimensiones del sólido (longitud, ancho y altura). Donde: 𝑉 : Dilatación volumétrica 𝑉𝑜 Volumen inicial 𝛼 : Coeficiente de dilatación 𝑇: Variación de temperatura

Cuadro Nº 1.4. Valores de los coeficientes de dilatación lineal (

Material Hormigón Acero Hierro Plata Oro Invar Plomo Zinc

α (°C-1) 2.0 x 10-5 1.0 x 10-5 1.2 x 10-5 2.0 x 10-5 1.5 x 10-5 0,04 x 10-5 3.0 x 10-5 2.6 x 10-5

Material Aluminio Latón Cobre Vidrio Cuarzo Hielo Diamante Grafito

α (°C-1) 2.4 x 10-5 1.8 x 10-5 1.7 x 10-5 0.7 a 0.9 x 10-5 0.04 x 10-5 5.1 x 10-5 0.12 x 10-5 0.79 x 10-5

c. TRANSMISIÓN DE CALOR: Es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto sólido o un fluido, está a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la transferencia de energía térmica, también conocida como transferencia de calor o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio térmico. La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno más frío, como resultado de la Segunda ley de la termodinámica. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos en proximidad uno del otro, la transferencia de calor no puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta. El calor se transmite de un lugar a otro de tres maneras diferentes:  Por conducción entre cuerpo sólidos en contacto  Por convección en fluidos (líquidos o gases)  Por radiación a través del medio en que la radiación pueda propagarse

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1.3.3.


PROPIEDADES ACÚSTICAS: Transmisión y Reflexión del Sonido: El sonido, es cualquier fenómeno que involucre la propagación en forma de ondas elásticas (sean audibles o no), generalmente a través de un fluido (u otro medio elástico) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo. El sonido humanamente audible consiste en ondas sonoras consistentes en oscilaciones de la presión del aire, que son convertidas en ondas mecánicas en el oído humano y percibidas por el cerebro. La propagación del sonido es similar en los fluidos, donde el sonido toma la forma de fluctuaciones de presión. En los cuerpos sólidos la propagación del sonido involucra variaciones del estado tensional del medio. La propagación del sonido involucra transporte de energía sin transporte de materia, en forma de ondas mecánicas que se propagan a través de la materia sólida, líquida o gaseosa. Como las vibraciones se producen en la misma dirección en la que se propaga el sonido, se trata de una onda longitudinal. El sonido es un fenómeno vibratorio transmitido en forma de ondas. Para que se genere un sonido es necesario que vibre alguna fuente. Las vibraciones pueden ser transmitidas a través de diversos medios elásticos, entre los más comunes se encuentran el aire y el agua. La fonética acústica concentra su interés especialmente en los sonidos del habla: cómo se generan, cómo se perciben, y cómo se pueden describir gráfica y/o cuantitativamente. Desde el punto de vista físico el sonido: frecuencia y amplitud

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1.3.4.


PROPIEDADES ÓPTICAS: Se refiere al comportamiento de los MATERIALES en lo que respecta a la absorción de la luz (lo que define el color de los mismos) y a la transmisión de la luz (en materiales transparentes y traslúcidos), por ejemplo: Fibras Ópticas, Celdas Solares, recubrimientos ópticos, aplicaciones a microscopía, etc. Los Materiales ÓPTICOS pueden ser PASIVOS y ACTIVOS.

Los ACTIVOS muestran propiedades ópticas especiales en respuesta a estímulos eléctricos, mecánicos, magnéticos, ópticos, etc. P.ej.: Lasers, Diodos emisores, fotodiodos, materiales luminiscentes, visores de cristal líquido, etc. Los PASIVOS, todo lo demás incluyendo aplicaciones inactivas de materiales activos. Por ejemplo: Metales, Cerámicos, Polímeros. Entre las características de las Propiedades ópticas, se encuentran: 

OPACO: Impide el paso a la luz



TRANSLÚCIDO: Deja pasar la luz, pero que no deja ver nítidamente los objetos.



TRANSPARENTE: Dicho de un cuerpo a través del cual pueden verse los objetos claramente.

La reflexión de la luz es el cambio de dirección que experimenta un rayo luminoso al chocar contra la superficie de los cuerpos. La reflexión de la luz se representa por medio de dos rayos: el que llega a una superficie, rayo incidente, y el que sale rebotado después de reflejarse, rayo reflejado. Si se traza una línea recta perpendicular a la superficie (que se denomina normal), el rayo incidente forma un ángulo con dicha recta, que se llama ángulo de incidencia. El rayo reflejado también forma con la normal un ángulo, que se llama ángulo de reflexión. Son muchas las teorías que el hombre ha planteado para explicar la naturaleza de la luz. Actualmente se acepta que existe una dualidad en el comportamiento de la luz, cuando actúa sobre la materia su naturaleza es considerada corpuscular, y cuando se propaga es ondulatoria - electromagnética. Cuando un cuerpo produce luz se dice que es un cuerpo luminoso, por ejemplo, el Sol, un foco, una vela encendida, etcétera. Si el cuerpo recibe la luz se dice que es un cuerpo iluminado, ya que éste refleja la luz que recibe. Un ejemplo podría ser cualquier cuerpo en la Tierra durante el día, o frente a un foco encendido. Existen los cuerpos no luminosos que se dividen en transparentes, translúcidos y opacos, los primeros permiten el paso de la luz y la imagen; es decir, dejan ver los cuerpos que están colocados detrás de ellos. Un ejemplo de éstos son el aire, el vidrio y el agua. Los segundos, permiten el paso de la luz, mas no de la imagen, tal es el caso del vidrio esmerilado, la marcolita y el papel albanene. Los terceros, llamados cuerpos opacos, impiden el paso de la luz y la imagen; por ejemplo, los cuerpos metálicos, los de madera, etcétera. Se considera que la luz se propaga en línea recta, lo cual explica que al ser interferida por algunos objetos se produzcan sombras y penumbras. Cuando este fenómeno se produce entre los cuerpos celestes da origen a los llamados eclipses. Por ejemplo, cuando la Luna se interpone entre la Tierra y el Sol da lugar a un eclipse total de Sol, y cuando la Tierra se interpone entre el Sol y la Luna se origina el eclipse total de Luna. 12




1.3.5. PROPIEDADES QUÍMICAS a. COMPOSICIÓN QUÍMICA: Una ley fundamental de la química afirma que en todo compuesto químico que esté formado por dos o más elementos diferentes, éstos se encuentran presentes en dicho compuesto en una cantidad o composición porcentual determinada. Lo que quiere decir, por ejemplo, que el hidróxido de aluminio Al(OH) 3 que se obtenga en España tendrá el mismo porcentaje de aluminio, de oxígeno y de hidrógeno que el que se pueda obtener en cualquier otra parte del mundo. La composición porcentual a través de la fórmula química b. ESTABILIDAD QUÍMICA: El término estabilidad química al ser usado en el sentido técnico en química se refiere a la estabilidad termodinámica de un sistema químico. La estabilidad termodinámica ocurre cuando un sistema está en su estado de menor energía o equilibrio químico con su entorno. Este puede ser un equilibrio dinámico, en donde moléculas o átomos individuales cambian de forma, pero su número total en una forma o estado particular se conserva. Este tipo de equilibrio químico termodinámico se mantendrá indefinidamente a menos que el sistema sea modificado. Los sistemas químicos pueden incluir cambios en el estado de la materia o un grupo de reacciones químicas. La estabilidad termodinámica se aplica a un sistema particular. La reactividad de una sustancia química es una descripción de cómo podría reaccionar a través de una variedad de sistemas químicos potenciales. Sustacias químicas o estados pueden persistir indefinidamente aunque no sean el estado más bajo de energía si experimentan metaestabilidad - un estado estable solo si no es muy perturbado. Una sustancia puede ser cinéticamente persistente si está cambiando a otra sustancia o estado relativamente lento, y por lo tanto no es un equilibrio termodinámico. El "estado A" es más estable termodinámicamente que el "estado B" si la Energía libre de Gibbs del cambio de "A" a "B" es positiva.

1.3.5. PROPIEDADES MECÁNICAS: Muchos materiales cuando están en servicio están sujetos a fuerzas o cargas. En tales condiciones es necesario conocer las características del material para diseñar el instrumento donde va a usarse de tal forma que los esfuerzos a los que vaya a estar sometido no sean excesivos y el material no se fracture. El comportamiento mecánico de un material es el reflejo de la relación entre su respuesta o deformación ante una fuerza o carga aplicada. a. RESISTENCIA: La resistencia de un elemento se define como su capacidad para resistir esfuerzos y fuerzas aplicadas sin romperse, adquirir deformaciones permanentes o deteriorarse de algún modo. Un modelo de resistencia de materiales establece una relación entre las fuerzas aplicadas, también llamadas cargas o acciones, y los esfuerzos y desplazamientos inducidos por ellas. Típicamente las simplificaciones geométricas y las restricciones impuestas sobre el modo de aplicación de las cargas hacen que el campo de deformaciones y tensiones sean sencillos de calcular. Para el diseño mecánico de elementos con geometrías complicadas la resistencia de materiales suele ser insuficiente y es necesario usar técnicas basadas en la teoría de la 13




elasticidad o la mecánica de sólidos deformables más generales. Esos problemas planteados en términos de tensiones y deformaciones pueden entonces ser resueltos de forma muy aproximada con métodos numéricos como el análisis por elementos finitos. b. TENACIDAD: La tenacidad es la cantidad de energía (expresada en Julios) que un material absorbe antes de la rotura y viene representada por el área bajo la curva tensión-deformación del material. El valor de la tenacidad de un material no es único ya que depende, al igual que otras características de los materiales de la velocidad de aplicación de la carga, de la temperatura, etc. Experimentalmente puede medirse también mediante ensayos de impacto ya que si bien éstos proporcionan una medida de la resiliencia (es la energía elástica que es capaz de absober un material, energía que es devuelta cuando se retira la carga que deforma el material y éste recupera su forma) del material, en ensayos a gran velocidad el valor numérico de ambas características es similar al no producirse deformaciones plásticas. En condiciones reales y dependiendo de la velocidad de aplicación de la carga el valor de la tenacidad puede variar entre el valor obtenido en el ensayo de tracción (baja velocidad) y el de resiliencia (alta velocidad) ya que ambos ensayos emulan las condiciones extremas de una carga estática y un impacto respectivamente. Por lo que respecta a la influencia de la temperatura, al disminuir esta generalmente se incrementa la resistencia (mayor tensión de rotura) pero se disminuye la ductilidad (menor deformación) decreciendo la tenacidad del material. Aunque la tenacidad es un concepto válido para describir el comportamiento de un material y efectuar comparaciones entre materiales distintos carece de valor práctico, al igual que la fragilidad o ductilidad del material características éstas con la que está íntimamente relacionada. Para subsanar esta deficiencia se utiliza la tenacidad a la fractura cuyo valor permite predecir el comportamiento del material y por tanto su colapso (rotura frágil).

c. ELASTICIDAD: Designa la propiedad mecánica de ciertos materiales de sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentran sujetos a la acción de fuerzas exteriores y de recuperar la forma original si estas fuerzas exteriores se eliminan. La elasticidad es estudiada por la teoría de la elasticidad, que a su vez es parte de la mecánica de sólidos deformables. La teoría de la elasticidad (TE) como la mecánica de sólidos (MS) deformables describe cómo un sólido (o fluido totalmente confinado) se mueve y deforma como respuesta a fuerzas exteriores. La diferencia entre la TE y la MS es que la primera sólo trata sólidos en que las deformaciones son termodinámicamente reversibles. La propiedad elástica de los materiales está relacionada, como se ha mencionado, con la capacidad de un sólido de sufrir transformaciones termodinámicas reversibles. Cuando sobre un sólido deformable actúan fuerzas exteriores y éste se deforma se 14




produce un trabajo de estas fuerzas que se almacena en el cuerpo en forma de energía potencial elástica y por tanto se producirá un aumento de la energía interna. El sólido se comportará elásticamente si este incremento de energía puede realizarse de forma reversible, en este caso decimos que el sólido es elástico.

d. PLASTICIDAD: Una de las propiedades mecánicas de un material donde se ve involucrada su deformidad permanente e irreversible se conoce como plasticidad. Generalmente esto se da en materiales biológicos. Para que esto suceda el material tiene que encontrarse por encima de su límite elástico. En ocasiones pequeños incrementos en la tensión, provocan pequeños incrementos en la deformación. En caso de que la carga sea 0, el objeto toma su forma original. Según experimentos realizados existe un límite, conocido como el límite elástico, cuando las tensiones superan este límite y desaparecen las cargas el cuerpo no vuelve a su forma, debido a que muestra deformaciones no reversibles. Este se encuentra presente en los metales. Cuando en un material el comportamiento plástico se presenta de manera perfecta, aunque involucra las deformaciones irreversibles. Los materiales que presentan más esta condición son, la arcilla de modelar y la plastilina. Hay materiales que requieren de un esfuerzo mayor para aumentar su deformación plástica. En ocasiones se presentan efectos viscosos, esto es lo que hace que las tensiones sean mayores si se presenta la velocidad en el proceso de deformación, esto se conoce como visco plasticidad. La plasticidad depende mucho de los cambios irreversibles que se presentan en los materiales. Cuando un cuerpo se deforma plásticamente experimenta lo que se conoce como entropía. La energía mecánica en este caso se disipa internamente. Microscópicamente, la plasticidad en los metales es una consecuencia de las imperfecciones en la red llamadas dislocaciones (son defectos de la red cristalina de dimensión uno, es decir que afectan a una fila de puntos de la red de Bravai).

e. MALEABILIDAD: La maleabilidad es la propiedad que presentan algunos materiales de poder ser descompuestos en: láminas sin que el material en cuestión se rompa, o en su defecto, extendidos. Por ejemplo, los metales conocidos como metales maleables son aquellos que justamente cumplen con esta propiedad que mencionamos, el estaño, el cobre, el aluminio, entre otros, se caracterizan básicamente por su ductilidad, con esto queremos referir que los mismos pueden ser doblados, cortados, ejerciendo una fuerte presión de llegar a ser necesario y el material no se rompe, algo que por supuesto no sucede con todos los materiales, entonces, esta cualidad es lo que determina su maleabilidad o no. Principalmente este tipo de metales suelen ser muy empleados con fines tecnológicos, especialmente a la hora de las soldaduras. Por otra parte, los metales maleables tienen otra ventaja, que es que presentan una escasa reacción, entonces, son muy poco plausibles de ser afectados por cuestiones como la corrosión o el óxido. 15



f.


DUCTILIDAD: Es una propiedad que presentan algunos materiales, como las aleaciones metálicas o materiales asfálticos, los cuales bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse sosteniblemente sin romperse, permitiendo obtener alambres o hilos de dicho material. A los materiales que presentan esta propiedad se les denomina dúctiles. Los materiales no dúctiles se clasifican de frágiles. Aunque los materiales dúctiles también pueden llegar a romperse bajo el esfuerzo adecuado, esta rotura sólo se produce tras producirse grandes deformaciones. En otros términos, un material es dúctil cuando la relación entre el alargamiento longitudinal producido por una tracción y la disminución de la sección transversal es muy elevada. En el ámbito de la metalurgia se entiende por metal dúctil aquel que sufre grandes deformaciones antes de romperse, siendo el opuesto al metal frágil, que se rompe sin apenas deformación. No debe confundirse dúctil con blando, ya que la ductilidad es una propiedad que como tal se manifiesta una vez que el material está soportando una fuerza considerable; esto es, mientras la carga sea pequeña, la deformación también lo será, pero alcanzado cierto punto el material cede, deformándose en mucha mayor medida de lo que lo había hecho hasta entonces pero sin llegar a romperse.

g. FLUENCIA: La fluencia es la pérdida de estabilidad dimensional que se produce en algunos materiales cuando las tensiones aplicadas crecen por encima de un determinado valor, denominado límite de fluencia. Cuando se alcanza la fluencia el material se deforma inicialmente de modo creciente y rápido sin apenas cambio en las tensiones aplicadas y parte de la deformación producida permanecerá ya siempre aunque cesen las fuerzas que ocasionaron su fluencia. Un ensayo de tracción sobre el material permite establecer su límite de fluencia.

h. RIGIDEZ: Es la capacidad de un objeto sólido o elemento estructural para soportar esfuerzos sin adquirir grandes deformaciones o desplazamientos. Los coeficientes de rigidez son magnitudes físicas que cuantifican la rigidez de un elemento resistente bajo diversas configuraciones de carga. Normalmente las rigideces se calculan como la razón entre una fuerza aplicada y el desplazamiento obtenido por la aplicación de esa fuerza.

i.

DUREZA: Es la propiedad que tienen los materiales de resistir el rayado y el corte de su superficie. Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene mucha dureza, mientras que el vidrio es mucho más difícil de rayar.En mineralogía se utiliza la escala de Mohs, creada por el austríaco Friedrich Mohs, que mide la resistencia al rayado de los materiales.

16




Cuadro Nº1.5. Dureza de algunos materiales

j.

Dureza

Mineral

Composición química

1

Talco, (se puede rayar fácilmente con la uña)

Mg3Si4O10(OH)2

2

Yeso, (se puede rayar con la uña con más dificultad)

CaSO4·2H2O

3

Calcita, (se puede rayar con una moneda de cobre)

CaCO3

4

Fluorita, (se puede rayar con un cuchillo)

CaF2

5

Apatita, (se puede rayar difícilmente con un cuchillo)

Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)

6

Feldespato, (se puede rayar con una cuchilla de acero)

KAlSi3O8

7

Cuarzo, (raya el acero)

SiO2

8

Topacio,

Al2SiO4(OH-,F-)2

9

Corindón, (sólo se raya mediante diamante)

Al2O3

10

Diamante, (el mineral natural más duro)

C

ISOTROPÍA: Un material es isótropo cuando presenta iguales condiciones de elasticidad en cualquier dirección que se quiera deformarlo. Son isótropos los metales fundidos. Lo opuesto es la anisotropía.

k. TRACCIÓN: Se denomina tracción al esfuerzo a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo. l.

COMPRESIÓN: Es la resultante de las tensiones o presiones que existe dentro de un sólido deformable o medio continuo, caracterizada porque tiende a una reducción de volumen o un acortamiento en determinada dirección.

m. FLEXIÓN: Se denomina flexión al tipo de deformación que presenta un elemento estructural alargado en una dirección perpendicular a su eje longitudinal.

n. TORSIÓN: En ingeniería, torsión es la solicitación que se presenta cuando se aplica un momento sobre el eje longitudinal de un elemento constructivo o prisma mecánico, como pueden ser ejes o, en general, elementos donde una dimensión predomina sobre las otras dos, aunque es posible encontrarla en situaciones diversas.

17




o. CIZALLADURA: Es el esfuerzo interno o resultante de las tensiones paralelas a la sección transversal de un prisma mecánico como por ejemplo una viga o un pilar.

ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS PESO ESPECÍFICO 1. Investigue sobre la forma experimental de determinar el peso específico de los materiales. 2. Determine la masa de un cubo de 5 cm de arista si el material con que está construido es: aluminio, cobre, bronce y oro 3. Un tambor vacío pesa 1,31 kgf; lleno de agua de mar, de ρ= 1,03 gf/cm3, pesa 2,855 kgf; lleno de aceite de oliva pesa 2,69 kgf. ¿Cuál es el peso específico del aceite? R: 0,92 gf/cm3 4. Un barril pesa vacío 18,4 kg; lleno de aceite, 224 kg. Se desea saber su capacidad en litros R: 223,478 litros 5. Un recipiente vacío pesa 380 g; con aceite hasta la mitad pesa 1208 g. ¿Cuál es en litros la capacidad del recipiente? R: 1,8 litros 6. Un recipiente vacío pesa 3 kgf. Lleno de agua pesa 53 kgf y lleno de glicerina, 66kgf. Hallar la densidad de la glicerina. R: 1260 kg/m3 7. En un proceso industrial de electro-deposición de estaño se produce una capa de 75x10-6 cm de espesor. Hallar la superficie que se puede cubrir con una masa de 1 kg de estaño cuya densidad es de 7,3 g/cm3. R: 182,6 m2 POROSIDAD 8. De una muestra de arena húmeda se quieren determinar algunas de sus propiedades. La muestra ocupa un volumen de 540 cm3, y su peso es 1015 g. Después de secarla durante 12 horas en horno a 105º C, su peso es 910 g y su densidad de partículas sólidas es 2,68 g/cm3 (26,8 kN/m3). Determinar: Densidad natural (densidad húmeda) o peso específico natural. Índice de huecos (o índice de vacíos). Porosidad. Humedad natural. Grado de saturación. 9. Se ha tomado una muestra de suelo de volumen 16.88 cm3. En estado natural su masa era 35.45 g y una vez desecada en estufa completamente, disminuyó hasta 29.63 g. Además, se determinó que la densidad relativa de las partículas sólidas era 2.68. Se pide calcular: a) peso específico aparente de la muestra. b) peso específico de la muestra seca. c) Humedad natural. d) Porosidad e índice de huecos. 10. Una muestra de suelo seco se mezcla uniformemente con un 16.2 % de agua, se amasa y se compacta en un molde cilíndrico. El volumen de la muestra ya compactada es de 0.987 litros y su masa 1605 g. Sabiendo que la densidad relativa de sus partículas sólidas es 2.6, determinar: a) Peso específico aparente de la muestra. b) Peso específico de la muestra de suelo seco. c) Porosidad e índice de huecos. 11. Se mezcla cierta cantidad de un suelo seco cuyas partículas sólidas presentan una densidad relativa de 2.7 con un 10'5 % de agua en peso. Esta mezcla se introduce en un cilindro de 150 mm de diámetro y 125 mm de altura y se compacta hasta que el volumen de aire dentro del suelo es el 5 % del volumen total. Suponiendo que la mezcla ha llenado completamente el cilindro, se pide: a) Determinar la masa del suelo seco utilizada. b) Obtener el peso específico del suelo seco compactado. c) Calcular el índice de huecos. 18




DILATACIÓN 12. Una viga de hormigón, del tipo que le afecta menos el calor, tiene una longitud de 12 m a 5°C en un día de invierno. ¿Cuánto medirá en un día de verano a 35°C? 13. Se calibra una regla de acero con una regla patrón a 22°C, de modo que la distancia entre las divisiones numeradas es de 10 mm. a) ¿Cuál es la distancia entre estas divisiones cuando la regla está a -5°C?, b) si se mide una longitud conocida de 1 m con la regla a esta baja temperatura, ¿qué porcentaje de error se comete?, c) ¿qué error se comete al medir una longitud de 100 m con la misma regla? 14. Un instalador eléctrico, no conocer de los efectos del calor sobre los objetos, tiende en forma tirante un alambre de cobre de 100 m de largo, en un día en que la temperatura es de 30°C. Obviamente, al bajar la temperatura a 0°C, se cortará. ¿Cuántos milímetros debería haber sido más largo el alambre, para que no se cortara? 15. En un tendido eléctrico de 100 kilómetros, se tienden dos cables paralelos, uno de aluminio y otro de cobre, la temperatura con que se colocan es de -5°C. a) sin hacer cálculos, ¿cuál será más largo a 20°C?, b) ¿Cuántos centímetros más largo será? 16. Para tender una línea férrea, se usan rieles de longitud 60 metros a 0°C, se sabe que la oscilación térmica en el lugar es entre los 0°C y los 35°C. ¿Qué distancia deberá dejarse entre riel y riel para que no se rompan?. 17. Una plancha de acero tiene dimensiones 4x6 m a 10°C. Si se calienta a 68°C. ¿Cuál será su incremento de superficie? 18. Se tiene un círculo de cobre de radio 1m con un orificio, en su centro, de radio 20 cm. ¿Cuál será la superficie del anillo que se forma si: a) se calienta desde 0°C a 50°C?, b) si se enfría desde 50°C a 0°C?. Considere datos iniciales para temperaturas iniciales. 19. Un marco de ventana es de aluminio, de dimensiones 60x100 cm. En un día a 20°C se instala un vidrio de los que más le afecta el calor. ¿Cuántos milímetros menos que las medidas del marco, por lado, deberá tener el vidrio? Si la oscilación térmica diaria puede ir de –2°C a 40°C. 20. Una plancha de aluminio tiene forma circular de radio 100 cm a 50°C. A qué temperatura su superficie disminuirá en un 1%? 21. Un bulbo de vidrio está lleno con 50 cm3 de mercurio a 18 °C. Calcular el volumen (medido a 38 °C) que sale del bulbo si se eleva su temperatura hasta 38 °C. El coeficiente de dilatación lineal del vidrio es 9x10-6 °C-1 y el correspondiente cúbico del mercurio es 18x10-6 °C-1. Nota: se dilatan simultáneamente el bulbo (especie de vaso o recipiente) y el mercurio. Rpta 0,15 cm3 22. La densidad del mercurio a 0 °C es 13.6 g/cm3. Hallar la densidad del mercurio a 50 °C. Rpta 13.48 g/cm3 23. Hallar el aumento de volumen que experimentan 100 cm3 de mercurio cuando su temperatura se eleva de 10 a 35 °C. Rpta 0.45 cm3

19




CAPITULO II NORMALIZACIÓN La normalización, es una disciplina que trata del establecimiento y adecuación de reglas destinadas a conseguir y mantener un ordenamiento dentro de un campo determinado, con el fin de procurar un beneficio a la sociedad, acordes con su desarrollo económico social. 1. DEFINICIÓN: La normalización es la actividad que consiste en la elaboración, difusión y aplicación de las normas técnicas, encaminadas a establecer las características de calidad que debe reunir un producto, proceso o servicio. 2. OBJETIVOS Y VENTAJAS:     

Simplificación de la creciente variedad de producción y el procedimiento en la vida humana. Comunicación. Economía total. Salud, seguridad y protección de la vida. Protección del consumidor y la comunidad.

 

Eliminación de las barreras comerciales. Examina datos y grupos de datos de una manera que mejor pueda acomodar futuros cambios en el negocio y de minimizar el impacto de estos cambios en sistemas de aplicación.

3. TIPOS: Existen dos tipos de normalización: A. Normas Técnicas: Son documentos que establecen las especificaciones de calidad de los productos, procesos y servicios; su aplicación es de carácter voluntario. La elaboración es desarrollada por los comités técnicos de normalización, lo cual garantiza la participación pluralista de las partes involucradas en el tema a normalizar. B. Normas Metrológicas: Son documentos de carácter obligatorio que establecen las características técnicas y Metrológicas de los medios de medición (balanzas, medidores de agua, surtidores de gasolina, etc.) utilizados en transacciones comerciales, que afectan directamente a los consumidores finales. 4. APLICACIÓN DE NORMAS: Las ventajas derivadas de la normalización, se logran sobre todo, como resultado de la aplicación de las normas, de manera que en un momento dado, constituyen un reflejo de la realidad tecnológica y socioeconómica. 5. LA NORMALIZACIÓN EN EL PERÚ: A. Historia: Con la dación de la Ley N° 3270 de Promoción Industrial (noviembre de 1959). Se creó el Instituto Nacional de Normas Técnicas Industriales y Certificación (INANTIC) como el organismo técnico encargado de promover, estudiar, revisar, verificar y certificar las normas técnicas. 20




B. Sistema Peruano de Normalización: Es aquel constituido por el organismo peruano de normalización y un conjunto de comités técnicos de normalización, encargados de la aprobación y elaboración de las normas técnicas peruanas respectivamente. Este sistema ha sido formulado con base en:  Las directivas del código de Buenas Prácticas para la normalización de la organización para la normalización - 150.  El acuerdo sobre obstáculos técnicos al congreso de la Organización Mundial del Comercio OMC.  La decisión 419 de la Comunidad Andina, “Sistema Andino de Normalización, acreditación, ensayos, certificación, reglamentos técnicos y metrología”. Este sistema se ha constituido por un conjunto de reglamentos y guías peruanas que constituye el marco técnico y regulatorio del mismo; y presenta las siguientes características:  Las Normas Técnicas Peruanas, son de carácter recomendable.  Las Normas Técnicas Peruanas, son aprobadas por el INDECOPI, a través de la Comisión de Reglamentos Técnicos y Comerciales.  Las Normas Técnicas Peruanas, son elaborados por los comités Técnicos de Normalización. 6. METODOLOGÍA PARA LA ELABORACIÓN DE LA NORMA: 6.1. Definición del espacio a normalizar: A. Materia: Dentro del campo dominante se deberá escoger la materia exacta a normalizar por ejemplo: En el campo de muebles se tiene una gran diversidad como muebles de hogar, mueble de oficina, mueble escolar, etc; si escogemos muebles escolares dentro de estos tenemos: mesas, sillas, armarios, escritorios para profesores, muebles para laboratorio. Entonces definimos un producto que puede ser mesas y sillas, pero además tenemos diferentes niveles de educación inicial, primaria, secundaria, técnica y diferentes materiales para la construcción como: madera, metal, fibra de vidrio, plásticos, etc. Luego definimos nuestra materia como: "SILLAS Y MESA DE MADERA PARA EDUCACIÓN INICIAL" B. Aspectos: Para asegurar la calidad del producto, debemos especificar sus requisitos y para comprobarla necesitamos los métodos de ensayo y de muestreo. Entonces los aspectos a normalizar son: -Requisitos.

-Métodos de ensayo. -Muestreo.

C. Nivel: Si la norma es para un país será a nivel nacional, si es para una entidad será a nivel de empresa.

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D. Metodología:  Búsqueda de Información: Se requerirá la información siguiente:   

Normas extranjeras. Bibliografía, estudios realizados al respecto. Determinar las ciencias relacionadas con el tema, como son: La agronomía, la antropometría y la tecnología de la madera.

 Elaboración del documento: Para elaborar la norma de requisitos debemos considerar los puntos siguientes: a. Normas a consultar. b. Objeto. c. Campo de aplicación. d. Definiciones. e. Símbolos y abreviaturas. f. Clasificación. g. Condiciones generales.

h. Requisitos. i. Inspección y recepción. j. Métodos de ensayo. k. Rotulado envase y embalaje. l. Apéndices. m. Antecedentes. n. Índice

E. CREACIÓN DE INDECOPI: En la lógica de lograr una efectiva protección de los principios que una economía de mercado implica, en noviembre de 1992 mediante el Decreto Ley N° 25868 se creó el Instituto Nacional de Defensa de la competencia y de la protección de la propiedad intelectual (Indecopi), como la entidad encargada de súper vigilar y promover el correcto funcionamiento de la economía de mercado en el Perú. El objetivo primordial del Indecopi es el impulsar mejoras en los niveles de competitividad de las Empresas y productos peruanos. Funciones del Indecopi: • Impulsar y difundir la libre competencia. • Promover la participación adecuada de los agentes económicos en el mercado. • Fomentar una competencia justa, leal y honesta entre los proveedores de bienes y servicios. • Velar por el respeto de la libre competencia en el Comercio Internacional. • Reducir los costos de acceso y salida del mercado. • Aprobar las normas técnicas y Metrológicas. • Proteger todas las formas de propiedad intelectual desde los signos distintivos y los derechos de autor hasta las patentes y la biotecnología. 22




CAPITULO III SELECCIÓN DE MATERIALES Los materiales de construcción constituyen un área muy importante en la formación de los ingenieros civiles. La gran diversidad de obras civiles en las que el ingeniero puede participar requieren de conocimientos básicos firmemente consolidados, y que le permitan, con la práctica profesional ahondar en la tecnología de los materiales empleados en la industria de la construcción. Para el ingeniero civil es muy importante optimizar los recursos económicos disponibles para construir las obras, esto lo puede lograr entre otras cosas haciendo buen uso tanto de los materiales baratos como de los materiales caros. A un lado de la búsqueda de una economía bien entendida, el ingeniero tiene la obligación de construir obras que además de ser seguras reflejen la mejor calidad de vida de sus ocupantes o usuarios, apegándose siempre a las especificaciones y reglamentos de construcción vigentes. La selección de los materiales de construcción depende de muchos factores, y resulta difícil ser muy específico al respecto, como ejemplo considérese que la selección del material puede depender desde la disponibilidad del mismo en una determinada localidad hasta el gusto del dueño de la obra, quien puede decidirse por alguno o algunos de los materiales que se emplearán en la misma 1. CRITERIOS DE SELECCIÓN: En general, los Tabla Nº 3.1 Propiedades de los materiales que limitan el diseño métodos para la selección de materiales se basan en una serie de parámetros físicos, mecánicos, térmicos, eléctricos y de fabricación que determinan la utilidad técnica de un material. En la siguiente tabla [Tabla 3.1] se incluyen estas propiedades principales, junto con otras que debe considerar el diseñador a la hora de elegir un material. 2. COSTO Y DISPONIBILIDAD: Los aspectos económicos de la selección de los materiales son tan importantes como las consideraciones tecnológicas. Si no hay materia prima disponibles o componentes fabricados en la forma, dimensiones y cantidad deseadas, será necesario recurrir a sustitutos y/o procesados adicionales, que pueden repercutir de forma significativa en el precio del producto. Sin embargo, a menudo un diseño de producto se puede modificar para aprovechar las dimensiones del material de partida y evitar así los gastos de producción adicionales. Asimismo, la confianza del suministro, así como la demanda afecta al costo; la mayor parte de los países importan numerosas material primas esenciales para la producción. En cuanto al procesado de materiales, los diferentes métodos implican diferentes costos.

23




3. ASPECTO, VIDA EN SERVICIO Y RECICLADO: La apariencia de los materiales una vez fabricados influye en el consumidor. El color o la textura superficial son características que todos consideramos al tomar una decisión sobre la adquisición de un producto. Existen fenómenos importantes que dependen del tiempo y del servicio, como el desgate, la fatiga o la estabilidad dimensional, los cuales pueden afectar de forma significativa el funcionamiento de una producto y, de no ser controlado, pueden llevar al fallo total del mismo. El reciclado de los materiales, o la eliminación adecuada de sus componentes, al final de la vida en servicio útil del producto, se ha convertido en un tema cada vez más importante, debido la actual necesidad de conservar los recursos y de mantener un entorno limpio y saludable. Es el caso de los envases biodegradables, las botellas de vidrio o las latas de aluminio reciclables. También es una cuestión primordial el tratamiento y la eliminación apropiada de los desperdicios y materiales tóxicos. 4. MÉTODOS DE SELECCIÓN DE MATERIALES: Debido al alto número de factores que afectan la selección de materiales, el diseñador determina cuales son las propiedades más relevantes para la aplicación que se tiene y con base a ellas, realiza la selección. En general, los métodos para seleccionar materiales hacen una refinación más o menos amplia de estos parámetros. A. MÉTODO TRADICIONAL: Con este método, se escoge el material que se cree más adecuado, en base a la experiencia de elementos que tiene un funcionamiento similar y que han mostrado buenos resultados. Las ventajas de este método radican en que el ingeniero se siente seguro con un material usado y ensayado. Un caso típico sería el del acero; las características de proceso del acero son bien conocidas, su disponibilidad está asegurada y generalmente en un gran porcentaje de partes se usan aceros baratos, sin tratamiento térmico, evitando pérdida de tiempo en ensayos y procesos. Sin embargo, el uso de este método, en ocasiones conduce a serios problemas, ya que no se hace un estudio real del ambiente de trabajo del componente o equipo, el cual puede ser decisivo a la hora de escoger el material. B. MÉTODO GRÁFICO: Este método se apoya en gráficos conocidos como mapas de materiales, en los que se relacionan por pares ciertas propiedades de los materiales. El método fue diseñado exclusivamente para ser utilizado durante la etapa conceptual de la selección de materiales. En estos mapas se puede hacer una aproximación del material más adecuado (perteneciente a una determinada familia de materiales), con base en la relación de las propiedades más importantes que debe poseer el componente. Como es de esperarse, rara vez el comportamiento de un componente depende sólo de una propiedad. Asimismo, estos diagramas muestran que las propiedades de las diferentes clases de materiales pueden variar en amplios intervalos (dependiendo del estado de estos), generando un campo o zona en los mapas. En estos mapas se relacionan entre otras, propiedades como resistencia, módulo de elasticidad, densidad, tenacidad, conductividad térmica, y costos. Partiendo del objetivo

24




deseado y aplicando los criterios de trabajo, se determinan cuáles son las combinaciones de propiedades más importantes para un componente dado.

Ubicado el diagrama que presenta esta combinación, se entra en un campo que corresponde a una familia determinada de materiales. De los materiales que pertenecen a esta familia, se puede hacer una preselección, y posteriormente una selección, teniendo en cuenta otros criterios como costos, disponibilidad, durabilidad, efecto ambiental, etc. La ventaja estratégica del uso de los mapas, es que permite fácilmente reemplazar un material por otro que cumple igual función C. MÉTODO DE BASES DE DATOS: En Internet existe una amplia gama de bases de datos sobre materiales que han sido construidas para comercialización libre o son distribuidas por vendedores de materiales. Estas bases de datos son el resultado de investigaciones en ensayos de materiales. Las bases de datos se dividen básicamente en dos categorías, numéricas y literarias o de referencias bibliográficas. Dentro de las más importantes bases de datos están el banco de datos de la ASTM, la NASA, etc. La selección de materiales con ayuda de estas bases de datos, parte del conocimiento de las principales propiedades que se deben tener para un fin específico. El programa pide entonces el valor aproximado de las propiedades que debe tener el componente y lista uno o varios materiales que pueden servir.

25




5. ENSAYO DE MATERIALES: Examen o comprobación de una o más propiedades o características de un material, producto, conjunto de observaciones, etc., que sirven para formar un juicio sobre dichas características o propiedades. Se intenta de esta manera simular las condiciones a las que va a estar expuesto un material cuando entre en funcionamiento o en servicio. Existen muchas formas de clasificar los tipos de ensayos que se realizan a los materiales, aquí se presenta alguna de las más importantes: A. CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYO: A.1. Según la rigurosidad del ensayo.  Ensayos científicos: Se obtienen resultados que se refieren a los valores numéricos de ciertas magnitudes físicas.  Ensayos tecnológicos: Se utilizan para comprobar si las propiedades de un determinado material son adecuadas para una cierta utilidad. Ejemplo: Doblado, plegado, forjado, embutición, soldadura, laminación, etc. A.2. Según la naturaleza del ensayo.  Ensayos químicos: Permiten conocer la composición, tanto cualitativa como cuantitativa del material.  Ensayos metalográficos: Consisten en analizar la estructura interna del material mediante un microscopio.  Ensayos físicos: Se cuantifican, por ejemplo, la densidad, el punto de fusión, la conductividad eléctrica.  Ensayos mecánicos: Mediante los que se determina la resistencia del material cuando se somete a diferentes esfuerzos. A.3. Según la utilidad de la pieza después de ser sometida al ensayo.  Ensayos destructivos: Se produce la rotura o un daño sustancial en la estructura del material.  Ensayos no destructivos: Se analizan las grietas o defectos internos de una determinada pieza sin dañar su estructura. A.4. Según la velocidad de aplicación de las fuerzas.  Ensayos estáticos: La velocidad de aplicación de las fuerzas al material no influye en el resultado del ensayo. Durezas Compresión Flexión Fluencia Tracción Cizalladura Pandeo  Ensayos dinámicos: La velocidad de aplicación de las fuerzas al material juega un papel decisivo en el resultado del ensayo. Resistencia al choque Desgaste Fatiga 26




CAPITULO IV MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR El calor (Q) es una forma de energía que aparece como un flujo que se transmite entre dos puntos que se encuentran a diferente temperatura. Así, la transmisión de calor estudia las temperaturas y los flujos de calor en los procesos de transferencia térmica.

Esta transmisión de energía se produce desde las regiones de alta temperatura a las de baja por medio de alguno de los mecanismos conocidos: conducción, convección o radiación. 1. LA CONDUCCIÓN: Se produce a través de la masa de los cuerpos, con lo que se caracteriza por medio de una característica del material conocida como conductividad térmica. Los átomos están juntos en el estado sólido, y aunque no pueden moverse de un lado a otro, tienen movimiento vibracional que, dependiendo de su magnitud, puede producir choques entre ellos. Es por estos choques por los que hay transferencia de energía de los átomos superiores energéticamente hacia los que tienen menos. De ahí que, cuando se habla de conducción, se habla de transferencia de energía en cuerpos sólidos. En un líquido es un tanto despreciable, y más bien la transferencia se rige por otros mecanismos. En los gases, definitivamente no se la considera. Se entiende, entonces, la diferencia entre los tres mecanismos de transferencia de calor: el sistema sobre el que actúan.  Al inicio: 1 ≫ 2 (Transferencia de Calor)  Luego de un cierto tiempo: 1 > 2 (Transferencia de Calor)  Y cuando al fin se ha llegado al equilibrio: 1 = 2 (Equilibrio) Para poder calcular la cantidad de energía que se transfiere de un lugar a otro se aplica, en el caso de la conducción, la Ley de Fourier, que será explicada a continuación mediante un ejemplo, en el que se tiene la transferencia unidimensional de conducción de calor en una pared plana.

27




La dirección de la transferencia de calor es función de la variación de las temperaturas, aunque siempre será perpendicular al área de transferencia, es decir, el calor es perpendicular a las isotermas. Al decir unidimensional, significa que dicha transferencia sigue una única dirección. Si se toma un volumen infinitesimal de la pared plana que se está analizando, se podrá calcular la cantidad de energía que se transfiere de un lugar a otro.

Por otro lado, mediante experimentaciones se logrado determinar que el flujo calórico directamente proporcional a la variación temperaturas e inversamente proporcional espesor del cuerpo:

ha es de al

Donde 𝑘 es la constante de conductividad térmica. Ésta es función de los materiales que participan en la conducción y, en algunos casos, de la temperatura.

Por tanto, las condiciones que se aplicarán son:  Transferencia de calor unidireccional  Conductividad térmica constante  Área de transferencia constante  Estado Estacionario: Δ ≠ 𝑓 𝑡  No hay generación ni consumo de energía:  No hay acumulación de energía: = +𝛥

28


=0



Así, R es igual a la expresión 𝐿/𝑘 para la conducción unidimensional en una pared plana.

2. LA CONVECCIÓN: Se produce en el contacto de un sólido y un fluido, debiéndose a la existencia de dos mecanismos de transmisión, la conducción y la advención. La conducción se debe al contacto entre partículas, mientras que la advención, es la transmisión de calor debida al movimiento de las partículas del fluido. Este movimiento puede ser provocado tanto por la diferencia de densidades que produce un gradiente de temperatura (convección natural), y que provoca que el aire caliente suba y el frío baje, como al debido a un accionamiento mecánico (convección forzada), como con un ventilador. La convención es la transferencia de energía en la que, además de movimientos atómicos y moleculares, se genera por la formación de corrientes convectivas dadas por la diferencia de densidades microscópica o macroscópicamente. Una diferencia de temperaturas implica una diferencia de densidades, diferencias que a su vez generan corrientes convectivas. Así, se notará que este mecanismo de transferencia de calor también se produce a causa de una variación en la temperatura. En el caso de los fluidos, se habla de una capa límite. Capa límite es la capa que se forma entre el sólido (contenedor o recipiente) y el líquido (fluido). Constituye una interferencia en la transferencia de calor, y va de la temperatura caliente (Tc) a la temperatura ambiente (T∞), ya sea que la temperatura caliente es mayor a la temperatura ambiente o viceversa. El flujo calórico, por su parte, siempre va de la temperatura caliente a la temperatura fría (Tf).

29




Existen dos tipos de convección: la convección natural y la convección forzada. En la convección natural, la transferencia de energía se da por la variación de densidades que hay en el fluido debido a la diferencia de temperaturas en distintos puntos. Convección forzada, en cambio, es aquella que resulta de la presencia de dispositivos (agitadores, vientos atmosféricos, bombas, ventiladores, dispersores, etc.) que ayudan a que se lleve a cabo la convección. Este mecanismo de trasferencia de energía también obedece a la ley general de flujo, aunque en lugar de utilizarse la Ley de Fourier se emplea la Ley de Newton.

Para la aplicación de la ley de Newton es necesario entender un término muy importante: coeficiente de transferencia de calor (hc), cuyo valor depende de las características y propiedades del fluido, sobre del tipo de fluido con el que se está trabajando, y de la geometría del sistema.

3. LA RADIACIÓN: Se produce por la emisión de radiación electromagnética que experimenta todo cuerpo por encontrarse a una temperatura determinada. Y depende de una característica del material conocida como emisividad y de una característica geométrica definida por el problema y conocida como factor de forma. A presiones bajas, casi al vacío, no se habla de conducción sino más bien de radiación que se da por medio de ondas electromagnéticas. Este mecanismo de transferencia de energía se genera debido a ondas electromagnéticas, ya sea que exista o no un fluido en su medio. Todos los cuerpos sobre el 0 absoluto, emiten esta clase de energía de radiación. Sin embargo, el valor del flujo calórico en este mecanismo de transferencia de energía es apreciable a temperaturas mayores a 300℃, y 400℃ para el vapor de agua y el dióxido de carbono. Dentro de un circuito térmico, la transferencia de calor por radiación se considera normalmente para fluidos como el agua o el aire más que para sólidos, ya que los fluidos actúan como sustancias blancas mientras que radiación a través de un sólido no es común.

30




Ecuaciones de Transferencia de Calor CONDUCCIÓN (coordenadas planas) Pared Plana: 𝑇

𝑄

A

𝐿 𝑘 𝐴

T1 Q

Q

T2

𝑇

𝑄

Recuerda Si: Tf – Tc ó T1 – T2: se considera el signo menos (–) en la ecuación. donde: Tf: temperatura fría Tc: Temperatura calienta

𝑇 𝑅

𝑅

𝑘

𝑇

𝐿

𝑘 𝐴

𝐿 Pared Plana en Serie:

A T1

T2

T3

Q 𝑘

𝐿

T4

𝑘

𝑘3

𝐿

𝐿3

𝑇

𝑄

𝑘

Q

𝑇 𝐿

𝑇3

𝐴

𝑘

𝐿1

𝑅 𝑅

𝑘1 𝐴

𝑇4

𝐴

𝑇4

𝑄 𝑅

𝑇 𝐿

𝑘

𝐿3

𝑇3 𝐴

𝑇 𝑅

𝑅3

𝐿2

𝑅3

𝑘2 𝐴

𝐿3 𝑘3 𝐴

Pared Plana en Paralelo:

T1

Muro (1)

𝑘

𝑇

𝑄

Muro (2)


𝑅

𝐿1 𝑘1 𝐴 1

𝐿

𝐴

𝑇 𝑇 𝑅 𝑅 𝑅 𝑅

A2

𝑄

𝑇

𝑘 𝑄

𝐿

31

𝑄

𝑄

𝑘

QT

𝑄𝑇

T2 A1

𝑅

𝐿2 𝑘2 𝐴2

𝑇 𝑘

𝑇 𝐿

𝐴



Pared plana compuesta

𝑄

𝐿3 𝑘 𝑘4

𝑘

T1

𝑅 𝐿2

𝑅

𝑘1 𝐴 1

𝑅4 𝐿3

𝑅3

𝑘2 𝐴 2

𝐿4

𝑅4

𝑘3 𝐴 3

𝑘4 𝐴 4

T2

𝑘3

𝐿

𝐿1

𝑅

𝑇 𝑇 𝑅 𝑅3 𝑅 𝑅3

𝐿

𝐿4

CONVECCIÓN - CONDUCCIÓN – CONVECCIÓN (coordenadas planas)

Pared Plana:

A

𝑇∞

T2 𝑇∞Q

k

𝑇∞

𝑄

𝐿 𝑘 𝐴

𝐴

Q

T3

𝑄

𝑇∞

𝑅

𝑘

𝑇 𝑅 𝑅

ℎ1 𝐴

𝑇∞ 𝐴

𝑇 𝑅

𝑅3

𝐿

𝑅3

𝑘 𝐴

ℎ1 𝐴

𝐿

𝑘

Pared Plana en Serie:

𝐿

𝑇∞

𝑄

A T1

T2

T3

Q

T4

𝑇

𝑇∞

𝐿

𝑘 32

𝐿

𝑘

𝐿

𝑘

Q

𝑘3

𝐿3

𝑘


𝐿

𝐿

𝑘

𝐴 𝑄

𝑇∞

𝑘

𝑇

𝑅

ℎ1 𝐴

𝑅

𝐿

𝑅 𝐿1

𝑘1 𝐴

𝑇

𝑇3

𝐴

𝑘

𝐿

𝑇

𝑇4

𝐴

𝑘

𝑇∞ 𝑇∞ 𝑅 𝑅3 𝑅4 𝑅3

𝐿2 𝑘2 𝐴

𝑅4

𝐿3

𝑇3

𝑇∞

𝐴

𝑇4 𝐴

𝑅5 𝐿3 𝑘3 𝐴

𝑅5

ℎ2 𝐴



Pared Plana en paralelo: 𝑇∞

QT

𝑇∞ 𝑇∞ 𝑅 𝑅3 𝑅 𝑅 𝑅3 𝑅4

𝑄 Muro (1)

T1

𝑄

𝑘

Muro (2)

𝑘

A1

𝑄

𝑅

T2

𝑅

ℎ1 𝐴

𝑇∞

𝐿1

𝐿2

𝑅3

𝑘1 𝐴 1

𝑅4

𝑘2 𝐴 2

ℎ2 𝐴

A2

𝐿

Pared plana compuesta

𝑄

𝐿3

𝑇∞

𝑘

𝑅

𝑘4

𝑘

𝑇∞

𝑘3

𝐿

𝐿

𝑅5

ℎ1 𝐴 𝐿3

𝑘3 𝐴4

𝑅 𝑅

𝑅6

𝑇∞ 𝑇∞ 𝑅3 𝑅4 𝑅 𝑅5 𝑅3 𝑅4 𝐿1

𝐿2

𝑅3

𝑘1 𝐴 1

𝑘2 𝐴 2

ℎ2 𝐴

𝐿4 CONDUCCIÓN (coordenadas cilíndricas)

𝑄

𝑄

𝑅

33


𝑇

𝑇 𝑟 𝐿𝑛 𝑟 𝜋𝐿𝑘 𝑇

𝑇 𝑅 𝑟 𝑟 𝜋𝐿𝑘

𝐿𝑛

𝑅6 𝑅4

𝐿3 𝑘3 𝐴 3



CONVECCIÓN – CONDUCCIÓN – CONVECCIÓN (coordenadas cilíndricas)

𝑇∞

𝑇∞

𝑇∞ 𝑟 𝐿𝑛 𝑟 𝜋𝐿𝑘

𝑄 𝜋𝑟 𝐿

𝑇

𝑄

𝑇∞ 𝑅

𝑅

𝑇 𝑅

𝑅3

𝑟 𝐿𝑛 2 𝑟1

𝑅

𝜋 𝑟1 𝐿 ℎ1

𝜋𝑟 𝐿

𝑅3

𝜋𝐿𝑘


CAPAS MÚLTIPLES (coordenadas cilíndricas)

𝑄 𝜋 𝑟 𝐿

𝑄

𝑅 𝑅4

𝜋 𝑟1 𝐿 ℎ1 𝐿𝑛

𝑟4 𝑟3

𝜋 𝐿 𝑘3

𝑇∞

𝑇∞ 𝑟3 𝐿𝑛 𝑟 𝜋 𝐿𝑘

𝑟 𝐿𝑛 𝑟 𝜋 𝐿𝑘

𝑅 𝑅5

𝑇 𝑅

𝑅

𝐿𝑛

𝑟2 𝑟1

𝜋 𝐿 𝑘1

𝑟4 𝑟3 𝜋 𝐿 𝑘3

𝐿𝑛

𝑇 𝑅3

𝑅4 𝑅3=

𝑅5

𝐿𝑛

𝑟3 𝑟2

𝜋 𝐿 𝑘2


A continuación se muestra la tabla conteniendo las conductividades térmicas de los diferentes materiales que se usan en la construcción

34


𝜋 𝑟4 𝐿



Material

Densidad (kg/m3)

Conductividad térmica(W/(m.K))

Material

Densidad (kg/m3)


Acero Agua Aire Alpaca Aluminio

7850 1000 1,2 8,72 2700

47-58 0,58 0,026 29,1 209-232

224 2750 7870 2200 1600-1800

0,055 3 72 1,4 0,75-0,93

Amianto

383-400

0,078-0,113

200

0,047

Arcilla refractaria Arena húmeda Arena seca

2000

0,46

3000

2,32

1640 1400

1,13 0,33-0,58

1800 3600

0,8 2,44

Asfalto

2120

0,74-0,76

2000

2,68

Baldosas cerámicas Baquelita Bitumen asfáltico Bloques cerámicos Bronce Carbón (antracita) Cartón Cemento (duro) Cinc

1750

0,81

1700

0,658

1270 1000

0,233 0,198

Goma esponjosa Granito Hierro Hormigón Hormigón de cascote Láminas de fibra de madera Ladrillo al cromo Ladrillo común Ladrillo de circonio Ladrillo de magnesita Ladrillo de mampostería Ladrillo de sílice Lana de vidrio

1900 100-200

1,070 0,036-0,040

730

0,37

Latón

8550

81-116

8000 1370

116-186 0,238

Linóleo Litio

535 530

0,081 301,2

-

0,14-0,35 1,047

840 650

0,13 0,142

7140

106-140

650

0,116

Cobre Corcho (expandido) Corcho (tableros) Espuma de poliuretano Espuma de vidrio Estaño Fibra de vidrio

8900 120

372-385 0,036

750 650

0,349 0,152

120

0,042

750

0,349

40

0,029

Madera Madera de abedul Madera de alerce Madera de arce Madera de chopo Madera de fresno Madera de haya

800

0,143

100

0,047

700

0,143

7400 220

64 0,035

650 550

0,163 0,116

Fundición Glicerina Goma dura

7500 1270 1150

55,8 0,29 0,163

Madera de haya blanca Madera de pino Madera de pino blanco Madera de roble Mármol Mica Mortero de cal y cemento

850 2400 2900 1900

0,209 2,09 0,523 0,7

35




Material

Densidad (kg/m3)


Material

Densidad (kg/m3)


Mortero de cemento Mortero de vermiculita Mortero de yeso Mortero para revoques Níquel

2100

1,4

Plomo

11340

35

300-650

0,14-0,26

Poliestireno

1050

0,157

1000

0,76

Porcelana

2350

0,81

1800-2000

1,16

Serrín

215

0,071

8800

52,3

466

0,126

Oro Pizarra

19330 2650

308,2 0,42

1650 100

0,76 0,07

Placas de yeso

600-1200

0,29-0,58

150

0,08

Plata Plexiglás

10500 1180

418 0,195

Tierra de diatomeas Tejas cerámicas Vermiculita expandida Vermiculita suelta Vidrio Yeso

2700 1800

0,81 0,81

PROBLEMAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR 1. Considere una pared gruesa de 3m de alto, 5 m de ancho y 0.3 m de espesor, cuya conductividad térmica es k = 0.9 W/m.ºC. Cierto día se miden las temperaturas de las superficies interior y exterior de esa pared y resultan ser de 16ºC y 2ºC, respectivamente. Determine la razón de la perdida de calor a través de la pared en ese día. 2. Se determina que el flujo de calor a través de una tabla de madera de 50 mm de espesor es de 40 W/m2 cuyas temperaturas sobre la superficie interna y externa son 40 y 20ºC respectivamente ¿Cuál es la conductividad térmica de la madera? 3. Una habitación a la temperatura de 19ºC está separada del exterior a 4ºC por un muro de 15 cm de espesor, 2.5x3.5 m2 de área, y k = 1

ℎ

a) ¿Qué potencia en kW atraviesa el muro? b) ¿Cuál debe ser el espesor de una capa aislante de conductividad k = 0,035

ℎ

para reducir el flujo en un factor de 5?

c) Comente su respuesta 4. Considere una pared de ladrillos de 3 m x 6 m y 0.3 m de espesor, cuya conductividad térmica es k = 0.8 W/m.ºC. En cierto día se miden las temperaturas de las superficies interior y exterior de esa pared y resultan ser de 14ºC y 2ºC, respectivamente. Determine la razón de la perdida de calor a través de la pared en ese día. 5. Dos ambientes A y B de grandes dimensiones están separadas por una pared de ladrillo k=1.2 W/m.ºC de 12 cm de espesor la temperatura externa del ladrillo en el ambiente B es de 120ºC y la temperatura del aire y sus alrededores del mismo ambiente es de 30ºC la transferencia de calor por convección libre del ambiente B es de 20 W/m2 ºC, encontrar la temperatura de la superficie interna del ladrillo en el ambiente A. 36




6. Un carpintero construye una pared. Hacia el exterior coloca una lámina de madera (k=0.08 W/m. K) de 2 cm de espesor y hacia el interior una capa de espuma aislante (k=0.01 W/mK) de 3,5 cm de espesor. La temperatura de la superficie interior es de 19ºC, y la exterior es –10 ºC. Calcular: a) la temperatura en la unión entre la madera y la espuma, b) la razón de flujo de calor por m2 a través de esta pared. 7. Uno de los sellados verticales de separación con el exterior de cierto edificio posee la siguiente composición: Composición Guarnecido y enlucido interior de yeso Tabique de ladrillo hueco formato métrico Panel rígido de polietileno expandido Raseo de cemento hidrófugo Muro de un pie de ladrillo perforado cara vista

Densidad (kg/ m3)

15

espesor (mm) 20 90 50 15 240

K (W/(m.ºC) 0.30 0.49 0.039 1.40 0.76

La temperatura interior de diseño es de 19ºC y la temperatura exterior de -3.4ºC siendo los coeficientes de transmisión superficial exterior e interior de 9.1 y 6.9 W/(m 2ºC) respectivamente. Determinar la distribución de temperaturas y las pérdidas de calor por unidad de superficie. 6. Calcular la cantidad de calor que se transmite a través de una ventana de 2 m2 de superficie y espesor 0,5 cm. Temperatura interior de la casa 20 ºC, la temperatura exterior (medio ambiente) es de 5 °C, los coeficientes de transferencia de calor por convección para el interior y exterior de la casa son: h=9 W/m2.ºC y h=15 W/m2.ºC respectivamente. (conductividad del vidrio: k = 0.2 W/ m. °C) 7. Considere una ventana de vidrio de 0.8m de alto y 1.5m de ancho, con un espesor de 8 mm y una conductividad térmica de k = 0.78 W/m.ºC. Determine la razón de calor a través de esta ventana de vidrio y la temperatura de su superficie interior para un día durante el cual el cuarto se mantiene a 20ºC, en tanto que la temperatura del exterior es de -10ºC. Tome los coeficientes de transferencia de calor por convección de la parte interior y exterior del cuarto como h=10 W/m2. ºC y h=40 W/m2. ºC. 8. Considere una ventana de hoja doble de 0.8m de alto y 1.5m de ancho que consta de dos capas de vidrio de 4 mm de espesor (k = 0.78 W/m. ºC) separadas por un espacio de aire estancado de 10 mm de ancho (k = 0.026 W/m. ºC). Determine la razón de transferencia de calor a través de la ventana de hoja doble y la temperatura en la superficie interior para un día durante el cual el cuarto se mantiene a 20ºC, en tanto que la temperatura del exterior es de -10ºC. Tome los coeficientes de transferencia de calor por convección de la parte interior y exterior del cuarto como h=10 W/m 2. ºC y h=40 W/m2. ºC. 9. Considérese un muro compuesto por dos capas cuyas características son las siguientes: □ Capa 1: espesor 0.4 m, conductividad: k1 = 0.9(1 + 0.006 T) [W /m·K] □ Capa 2: espesor 0.05 m, conductividad: k2 = 0.04 W /m·K

37




Y sometido a un flujo solar en la cara exterior de 300 W/m², esta cara se encuentra en contacto con aire a 40°C (Coeficiente convectivo exterior 10 W/m²K). La cara interior se encuentra en contacto con aire a 20°C (Coeficiente convectivo interior 5 W/m²K).Calcular: a) Flujo de calor por unidad de área que atraviesa el muro. b) Temperatura en las dos superficies extremas y en la interfase entre las doscapas 10. El vidrio de una ventana tiene un espesor de 8 mm área de 1,5 m2. Si la temperatura en el interior de la casa es de 22ºC y en el exterior de 6ºC, se pide: a) Determinar es el flujo de calor perdido a través del vidrio b) Si se sustituye esta ventana por otra de doble vidrio de 4 mm y una cámara de aire entre ellas de 6mm (5 W/m²K) ¿Cuál es el nuevo flujo de calor y el ahorro energético que supondría? 11. El muro de una cámara frigorífica de conservación de productos congelados consta de: Revoco de cemento de 2 cm de espesor (k = 0,93 W/m.°C)  Ladrillo macizo de 1 pie (k = 0,7 W/m°C)  Corcho expandido (k = 0,058 W/m.°C)  Ladrillo hueco de 7 cm de espesor (k = 1,28 W/m.°C)  Revoco de cemento de 2 cm de espesor (k = 0,93 W/m.°C) La temperatura del aire interior de la cámara es – 25°C y la del aire exterior 30°C.Si las pérdidas de calor del muro de la cámara han de ser inferiores a 11 W/m2, determinar: a) El espesor de aislamiento (corcho) que debe colocarse. b) La distribución de temperaturas en el muro. Se tomarán como coeficientes de transmisión de calor por convección exterior e interior 23.26 y 13.96 W/m2.°C, respectivamente. 12. Considere una casa de ladrillos calentada eléctricamente (K=0.35 Btu/h. ft. ºF) cuyas paredes tiene 9 ft de alto y 1 ft de espesor. Dos de las paredes tienen 50 ft de largo y las otras 35 ft. La casa se mantiene a 70 ºF en todo momento, en tanto que la temperatura exterior varía. En cierto día se mide la temperatura de la superficie interior de las paredes y resulta ser de 55ºF, en tanto que se observa que la temperatura promedio de la superficie exterior permanece en 45 ºF durante el día por 10h, y en 35ºF en la noche por 14h. Determine la cantidad de calor perdido por la casa ese día. También determine el costo de esa pérdida de calor para el propietario, si el precio de la electricidad es de 0.09dolares/kWh. 13. El aire de un local acondicionado se encuentra a una temperatura de 20°C, La cara interior del muro tiene un coeficiente de película de hint = 3 W/m²K y en su cara exterior intercambia calor por convección con el aire ambiente a 10°C (el coeficiente de película exterior puede considerarse de hext = 10 W/m²K). Calcular la pérdida de calor en toda la

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habitación. ¿Qué recomendaría Ud, para disminuir la pérdida de calor en un 80%?. La composición del muro exterior es:

14. Una pared de 4m de alto y 6m de ancho consiste en ladrillos con una sección transversal horizontal de 18 cm x 30 cm (k=0.72W/m.ºC) separados por capas de mezcla (k=0.22W/m.ºC) de 3cm de espesor. También se tienen capas de mezcla de 2 cm de espesor sobre cada lado de la pared y una espuma rígida (k=0.026W/m.ºC) de 2 cm de espesor sobre el lado interior de la misma. Las temperaturas en el interior y el exterior son de 22 ºC y – 4 ºC y los coeficientes de transferencia de calor por convección sobre los lados interior y exterior son h1 = 10W/m2.ºC y h2 = 20W/m2.ºC, respectivamente. Si se supone una transferencia en una solo dirección y se descarta la radiación, determine la razón de la transferencia de calor a través de la pared.

Espuma

Mezcla

1.5 cm

Ladrillo 30 cm

1.5 cm

18 cm

2cm 2cm

2cm

15. Una pared compuesta está constituida por capas de materiales diferentes tal y como se indica en la figura. Las superficies extremas se encuentran bañadas por fluidos a 800°C y a 20°C, con coeficientes convectivos de 17,4 W/m 2.K y 11,6 W/m2.K, respectivamente, calcular: a) El calor transmitido por unidad de tiempo a través de la pared. b) La distribución de temperaturas en ella. c) Calor transmitido en la unidad de tiempo a través de los materiales B, C y D. Las conductividades térmicas de los diferentes materiales son las siguientes: kA = 1,37 W/m.K ; kB = 0,69 W/m.K ; kC = 0,8 W/m.K ;kD = 0,93 W/m.K; kE= 0,067 W/m.K. 39




16. Un tubo de cobre de 20 mm de diámetro es utilizado para transportar agua caliente. a) Cuanto pierde por convección al ambiente, por m de longitud, si la superficie exterior del tubo está a 80ºC, el ambiente exterior a 20ºC y h=6W/(m2.K). b) Si el tubo es aislado y el espesor es de 1 mm, ¿Cuál debe ser la temperatura en la cara interna del tubo? 17. Un tubo de vapor se cubre con material aislante de 0.5 cm de espesor y 0.2 cal/(s cm ºC) de conductividad térmica. Inicialmente ¿Cuánto calor se pierde por segundo si el tubo está a 120º C y el aire circundante a 20º C? El tubo tiene un perímetro de 20 cm y una longitud de 50 cm. Ignore las pérdidas por los extremos del tubo. Analice la conveniencia o no de usar la relación dada para superficies planas. Estrictamente, debería usar la ecuación diferencial para la tasa conducción de calor e integrar para un conjunto de capitas superpuestas, cada una de forma cilíndrica y muy delgadita. 18. Por el interior de una tubería de acero, de 17 cm de diámetro exterior y 15 cm de diámetro interior (conductividad térmica 15 kcal/h·m°C), circula vapor saturado a 60 kgf/cm2 de presión (T = 274°C) atravesando un local que se encuentra a 21ºC. Los coeficientes de película exterior e interior son 10 y 2.000 kcal/h·m 2°C respectivamente. Calcular: a) Flujo de calor por unidad de longitud. b) Espesor de aislante (lana de roca de conductividad térmica 0,048 kcal/h.mºC) necesario para reducir el flujo de calor a la tercera parte. 19. Una tubería de acero de 36 cm de diámetro exterior, 34 cm de diámetro interior y conductividad térmica 40 kcal/h.mºC, transporta fueloil a 50 ºC a través de un local que se encuentra a 10 ºC. Con objeto de mantener constante la temperatura del fueloil, se rodea la tubería con una aislante de 1 cm de material de conductividad térmica 200 kcal/h.mºC. Calcular la distribución de temperatura en la tubería y en la resistencia. Los coeficientes de película en el exterior e interior de la tubería son 15 y 45kcal/h.m2ºC respectivamente. 20. Un tubo desnudo normalizado de 25 mm, con una temperatura superficial de 175ºC se coloca en aire a 30ºC. El coeficiente de película entre la superficie y el aire es de 4,9 W/m2ºC. Se desea reducir las pérdidas de calor al 50% mediante la colocación de un aislante de K=0.15 W/mºC. Si la temperatura superficial de la tubería y el coeficiente de película permanecen constantes al añadir el aislante, calcular el espesor necesario. ¿Tiene este espesor un valor aceptable desde el punto de vista económico? Coeficiente de conductividad del tubo K = 48 W/mºC.

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CAPITULO V MATERIALES PÉTREOS NATURALES: ROCAS 1. ORIGEN. COMPOSICIÓN QUÍMICA Y MINERALÓGICA: El origen de las rocas data de millones de años, tantos como tiene la corteza terrestre. La formación de las rocas se explica a través de diferentes fenómenos geológicos que se producen, lo que genera modificaciones de la corteza terrestre. Estos fenómenos comprenden desde aquellos que se generan a determinadas profundidades en el interior de la corteza terrestre, hasta otros que son provocados por agentes ambientales atmosféricos. La corteza terrestre y las rocas están constituidas en primer término por elementos químicos. Entre ellos destaca notablemente el oxígeno (47 %), que es el elemento mayoritario en la corteza terrestre. El silicio (28 %) también destaca y el resto presentan porcentajes inferiores. Los elementos químicos se encuentran combinados con el oxígeno, dando lugar a unos compuestos químicos denominados óxidos. La composición de la corteza terrestre también se puede expresar considerando la participación de dichos óxidos. Entre ellos destaca el anhídrido silícico (60 %) y el óxido de aluminio (16 %). Sólo un grupo reducido de elementos químicos son los componentes mayoritarios de la corteza terrestre y en definitiva de las rocas. Los elementos químicos se combinan formando asociaciones más complejas, las cuales dan lugar a compuestos que a su vez constituyen los minerales.  MINERALES: Sustancias naturales sólidas, casi siempre de naturaleza inorgánica, físicamente homogéneas, con composición química característica. Son formadas a partir de procesos físico – químicos que se producen entre los elementos químicos constituyentes de la corteza terrestre.  ROCA: Agregado mineral natural de composición y estructura más o menos determinada, que es producto de los procesos geológicos y que forma en la corteza terrestre cuerpos independientes. 2. CICLO GEOLÓGICO EN LA CORTEZA TERRESTRE: La materia que constituye la corteza terrestre está sometida a continuos procesos de transformación de naturaleza exógena o/y endógena. Estos procesos determinan cambios significativos en la composición, constitución y propiedades de las rocas. Mediante procesos de naturaleza endógena, el magma contenido en el interior de la corteza terrestre se enfría y consolida para formar las rocas ígneas. El enfriamiento del magma no se realiza para todas las rocas en las mismas condiciones, por lo que podemos distinguir tres tipos de rocas ígneas: plutónicas, filoneanas y eruptivas. Las rocas ígneas se alteran y deterioran fragmentándose, disgregándose y pulverizándose debido a la acción de agentes ambientales atmosféricos (lluvia, viento, hielo, temperaturas extremas, etc.). Fenómenos de transporte ambientales como el aire o el agua de los ríos, trasladan los fragmentos o partículas de las rocas hasta lugares donde geográficamente su sedimentación o asentamiento es adecuado. Así se forman las rocas sedimentarias. Este asentamiento se realiza a través de diferentes vías, distinguiendo cuatro tipos de rocas sedimentarias: rocas de origen mecánico, rocas de origen químico, rocas de origen orgánico y rocas de origen volcánico. Las rocas sedimentarias, en el interior de la corteza terrestre a temperaturas elevadas y grandes presiones, se transforman en rocas metamórficas. Se produce una 41




transformación de rocas ya existentes, hay una evolución posterior de la composición mineralógica y un cambio en la estructura de las rocas. 3. CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS:

Las propiedades de las rocas se pueden distinguir en el siguiente esquema:

42




A. ROCAS ÍGNEAS O ERUPTIVAS O MAGMÁTICAS: Son las primigenias, porque alguna vez se encontraron en estado de magma fundido, y al caer la temperatura de fusión llegaron a consolidarse y cristalizarse.

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B. ROCAS SEDIMENTARIAS: Su origen está en la descomposición de los productos de la litosfera pre – existente, vale decir de las rocas ígneas, metamórficas y también de otras rocas sedimentarias predecesoras, las que resultan retrabajadas.

44




C. ROCAS METAMÓRFICAS: Son las que han sufrido una serie de efectos en su estructura original hasta destruirse, o han sufrido cambios en su carácter mineralógico para adquirir un nuevo aspecto textural.

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CAPITULO VI AGREGADOS 1. DEFINICIÓN: Generalmente se entiende por "agregado" a la mezcla de arena y piedra de granulometría variable. El concreto es un material compuesto básicamente por agregados y pasta cementicia, elementos de comportamientos bien diferenciados: Se define como agregado al conjunto de partículas inorgánicas de origen natural o artificial cuyas dimensiones están comprendidas entre los límites fijados en la NTP 400.011. Los agregados son la fase discontinua del concreto y son materiales que están embebidos en la pasta y que ocupan aproximadamente el 75% del volumen de la unidad cúbica de concreto. Los agregados son materiales inorgánicos naturales o artificiales que están embebidos en los aglomerados (cemento, cal y con el agua forman los concretos y morteros). L os agregados generalmente se dividen en dos grupos: finos y gruesos. Los agregados finos consisten en arenas naturales o manufacturadas con tamaños de partícula que pueden llegar hasta 10mm; los agregados gruesos son aquellos cuyas partículas se retienen en la malla No. 16 y pueden variar hasta 152 mm. El tamaño máximo de agregado que se emplea comúnmente es el de 19 mm o el de 25 mm. Los agregados conforman el esqueleto granular del concreto y son el elemento mayoritario ya que representan el 80-90% del peso total de concreto, por lo que son responsables de gran parte de las características del mismo. Los agregados son generalmente inertes y estables en sus dimensiones. La pasta cementicia (mezcla de cemento y agua) es el material activo dentro de la masa de concreto y como tal es en gran medida responsable de la resistencia, variaciones volumétricas y durabilidad del concreto. Es la matriz que une los elementos del esqueleto granular entre sí. Cada elemento tiene su rol dentro de la masa de concreto y su proporción en la mezcla es clave para lograr las propiedades deseadas, esto es: trabajabilidad, resistencia, durabilidad y economía. 2. CLASIFICACIÓN: Existen varias formas de clasificar a los agregados, algunas de las cuales son: 2.1. POR SU NATURALEZA: Los agregados pueden ser naturales o artificiales, siendo los naturales de uso frecuente, además los agregados utilizados en el concreto se pueden clasificar en: agregado grueso, fino y hormigón (agregado global). a. El agregado fino: Se define como aquel que pasa el tamiz 3/8" y queda retenido en la malla N°200, el más usual es la arena producto resultante de la desintegración de las rocas. b. El agregado grueso: Es aquel que queda retenido en el tamiz N°4 y proviene de la desintegración de las rocas; puede a su vez clasificarse en piedra chancada y grava. c. El hormigón: Es el material conformado por una mezcla de arena y grava este material mezclado en proporciones arbitrarias se encuentra en forma natural en la corteza terrestre y se emplea tal cual se extrae en la cantera. 46




2.2. POR SU DENSIDAD: Se pueden clasificar en agregados de peso especifico normal comprendidos entre 2.50 a 2.75, ligeros con pesos específicos menores a 2.5, y agregados pesados cuyos pesos específicos son mayores a 2.75. 2.3. POR EL ORIGEN, FORMA Y TEXTURA SUPERFICIAL: Por naturaleza los agregados tienen forma irregularmente geométrica compuestos aleatoriamente por caras redondeadas y angularidades. En términos descriptivos la forma de los agregados pueden ser: a. Angular: Poca evidencia de desgaste en caras y bordes. b. Sub angular: Evidencia de algo de desgaste en caras y bordes. c. Sub redondeada: Considerable desgaste en caras y bordes. d. Redondeada: Bordes casi eliminados. e. Muy Redondeada: Sin caras ni bordes 2.4. POR EL TAMAÑO DEL AGREGADO: Según su tamaño, los agregados para concreto son clasificados en: Agregados finos (arenas), Agregados gruesos (piedras). El tamiz que separa un agregado grueso de uno fino es el de 4,75 mm. Es decir, todo agregado menor a 4,75 mm es un agregado fino (arena). La arena o árido fino es el material que resulta de la desintegración natural de las rocas o se obtiene de la trituración de las mismas, y cuyo tamaño es inferior a los 5mm. Para su uso se clasifican las arenas por su tamaño. A tal fin se les hace pasar por unos tamices que van reteniendo los granos más gruesos y dejan pasar los más finos.  Arena fina: es la que sus granos pasan por un tamiz de mallas de 1mm de diámetro y son retenidos por otro de 0.25mm.  Arena media: es aquella cuyos granos pasan por un tamiz de 2.5mm de diámetro y son retenidos por otro de 1mm.  Arena gruesa: es la que sus granos pasan por un tamiz de 5mm de diámetro y son retenidos por otro de 2.5mm. Las arenas de granos gruesos dan, por lo general, morteros más resistentes que las finas, si bien tienen el inconveniente de necesitar mucha pasta de conglomerante para rellenar sus huecos y será adherente. En contra partida, el mortero sea plástico, resultando éste muy poroso y poco adherente. El hormigón es un material formado por cemento, áridos de diferentes granulometrías, agua y aditivos que, mezclado en diferentes proporciones, permite obtener el hormigón que es distribuido en camiones hormigoneras. Es un material vivo, no almacenable, ya que su tiempode uso se limita a 90 minutos; a partir de los cuales el hormigón pierde sus propiedades. Las características especiales de este material obligan a fabricar bajo pedido, adecuando la producción a la situación geográfica, al horario y ritmo de cada obra, debiendo optimizar los recursos para ofrecer no sólo un producto de calidad sino 47




un buen servicio al cliente. Cualquiera sea el tipo de material utilizado, sus partículas deben ser duras y resistentes, ya que el concreto, como cualquier otro material se romperá por su elemento más débil. Si el agregado es de mala calidad sus partículas se romperán antes que la pasta cementicia, o el mortero. a. Agregado Fino: Un agregado fino con partículas de forma redondeada y textura suave ha demostrado que requiere menos agua de mezclado, y por lo tanto es preferible en los HAD. Se acepta habitualmente, que el agregado fino causa un efecto mayor en las proporciones de la mezcla que el agregado grueso.- Los primeros tienen una mayor superficie específica y como la pasta tiene que recubrir todas las superficies de los agregados, el requerimiento de pasta en la mezcla se verá afectado por la proporción en que se incluyan éstos. Una óptima granulometría del árido fino es determinante por su requerimiento de agua en los HAD, más que por el acomodamiento físico. La experiencia indica que las arenas con un módulo de finura ( MF ) inferior a 2.5 dan hormigones con consistencia pegajosa, haciéndolo difícil de compactar. Arenas con un módulo de finura de 3.0 han dado los mejores resultados en cuanto a trabajabilidad y resistencia a la compresión. b. Agregado Grueso: Numerosos estudios han demostrado que para una resistencia a la compresión alta con un elevado contenido de cemento y baja relación agua-cemento el tamaño máximo de agregado debe mantenerse en el mínimo posible (12,7 a 9,5). En principio el incremento en la resistencia a medida que disminuye el tamaño máximo del agregado se debe a una reducción en los esfuerzos de adherencia debido al aumento de la superficie específica de las partículas. Se ha encontrado que la adherencia a una partícula de 76 mm. es apenas un 10% de la correspondiente a una de 12,5 mm., y que excepto para agregados extremadamente buenos o malos, la adherencia es aproximadamente entre el 50 a 60% de la resistencia de la pasta a los 7 días. Las fuerzas de vínculo dependen de la forma y textura superficial del agregado grueso, de la reacción química entre los componentes de la pasta de cemento y los agregados. Otro aspecto que tiene que ver con el tamaño máximo del agregado es el hecho de que existe una mayor probabilidad de encontrar fisuras o fallas en una partícula de mayor tamaño provocadas por los procesos de explotación de las canteras (dinamitado) y debido a la reducción de tamaño (trituración), lo cual lo convertirá en un material indeseable para su utilización en concreto. También se considera que la alta resistencia producida por agregados de menor tamaño se debe a una baja en la concentración de esfuerzos alrededor de las partículas, la cual es causada por la diferencia de los módulos elásticos de la pasta y el agregado Se ha demostrado que la grava triturada produce resistencias mayores que la redondeada. Esto se debe a la trabazón mecánica que se desarrolla en las partículas angulosas. Sin embargo se debe evitar una angulosidad excesiva debido al aumento en el requerimiento de agua y disminución de la trabajabilidad a que esto conlleva. El agregado ideal debe ser limpio, cúbico, anguloso, triturado 100%, con un mínimo de partículas planas y elongadas. 3. FUNCIONES DEL AGREGADO EN EL CONCRETO: El agregado dentro del concreto cumple principalmente las siguientes funciones:

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a. Como esqueleto o relleno adecuado para la pasta (cemento y agua), reduciendo el contenido de pasta en el metro cúbico. b. Proporciona una masa de partículas capaz de resistir las acciones mecánicas de desgaste o de intemperismo, que puedan actuar sobre el concreto. c. Reducir los cambios de volumen resultantes de los procesos de fraguado y endurecimiento, de humedecimiento y secado o de calentamiento de la pasta. Los agregados finos son comúnmente identificados por un número denominado Módulo de finura, que en general es más pequeño a medida que el agregado es más fino. La función de los agregados en el concreto es la de crear un esqueleto rígido y estable lo que se logra uniéndolos con cemento y agua (pasta). Cuando el concreto está fresco, la pasta también lubrica las partículas de agregado otorgándole cohesión y trabajabilidad a la mezcla. Para cumplir satisfactoriamente con estas funciones la pasta debe cubrir totalmente la superficie de los agregados Si se fractura una piedra, como se observa en la figura, se reducirá su tamaño y aparecerán nuevas superficies sin haberse modificado el peso total de piedra. Por la misma razón, los agregados de menor tamaño tienen una mayor superficie para lubricar y demandarán mayor cantidad de pasta. En consecuencia, para elaborar concreto es recomendable utilizar el mayor tamaño de agregado compatible con las características de la estructura. La textura del material, dice que tan lisa o rugosa es la superficie del material es una característica ligada a la absorción pues agregados muy rugosos tienen mayor absorción que los lisos además que producen concretos menos plásticos Los agregados finos y gruesos ocupan comúnmente de 60% a 75% del volumen del concreto (70% a 85% en peso), e influyen notablemente en las propiedades del concreto recién mezclado y endurecido, en las proporciones de la mezcla, y en la economía. Los agregados finos comúnmente consisten en arena natural o piedra triturada siendo la mayoría de sus partículas menores que 5mm. Los agregados gruesos consisten en una grava o una combinación de grava o agregado triturado cuyas partículas sean predominantemente mayores que 5mm y generalmente entre 9.5 mm y 38mm. Algunos depósitos naturales de agregado, a veces llamados gravas de mina, río, lago o lecho marino. El agregado triturado se produce triturando roca de cantera, piedra bola, guijarros, o grava de gran tamaño. La escoria de alto horno enfriada al aire y triturada también se utiliza como agregado grueso o fino. El esqueleto granular está formado por los agregados que son elementos inertes, generalmente más resistentes que la pasta cementicia y además económicos. Por lo tanto conviene colocar la mayor cantidad posible de agregados para lograr un concreto resistente, que no presente grandes variaciones dimensionales y sea económico. Pero hay un límite en el contenido de agregados gruesos dado por la trabajabilidad del concreto. Si la cantidad de agregados gruesos es excesiva la mezcla se volverá difícil de trabajar y habrá una tendencia de los agregados gruesos a separarse del 49




mortero (segregación). Llegado este caso se suele decir que el concreto es "áspero", "pedregoso" y "poco dócil". En el concreto fresco, es decir recién elaborado y hasta que comience su fraguado, la pasta cementicia tiene la función de lubricar las partículas del agregado, permitiendo la movilidad de la mezcla. En este aspecto también colabora el agregado fino (arena). La arena debe estar presente en una cantidad mínima que permita una buena trabajabilidad y brinde cohesión a la mezcla. Pero no debe estar en exceso porque perjudicará las resistencias. Se debe optimizar la proporción de cada material de forma tal que se logren las propiedades deseadas al mismo costo. El concreto reciclado, o concreto de desperdicio triturado, es una fuente factible de agregados y una realidad económica donde escaseen agregados de calidad. Los agregados de calidad deben cumplir ciertas reglas para darles un uso ingenieril óptimo: deben consistir en partículas durables, limpias, duras, resistentes y libres de productos químicos absorbidos, recubrimientos de arcilla y otros materiales finos que pudieran afectar la hidratación y la adherencia la pasta del cemento. Las partículas de agregado que sean desmenuzables o susceptibles de resquebrajarse son indeseables. Los agregados que contengan cantidades apreciables de esquistos o de otras rocas esquistosas, de materiales suaves y porosos, y ciertos tipos de horsteno deberán evitarse en especial, puesto que tiene baja resistencia al intemperismo y pueden ser causa de defectos en la superficie tales como erupciones. 4. PROPIEDADES 4.1. GRANULOMETRÍA: La granulometría es la distribución de los tamaños de las partículas de un agregado tal como se determina por análisis de tamices (norma ASTM C 136). El tamaño de partícula del agregado se determina por medio de tamices de malla de alambre aberturas cuadradas. Los siete tamices estándar ASTM C 33 para agregado fino tiene aberturas que varían desde la malla No. 100(150 micras) hasta 9.52 mm. Los números de tamaño (tamaños de granulometría), para el agregado grueso se aplican a las cantidades de agregado (en peso), en porcentajes que pasan a ravés de un arreglo de mallas. Para la construcción de vías terrestres, la norma ASTM D 448 enlista los trece números de tamaño de la ASTM C 33, más otros seis números de tamaño para agregado grueso. La arena o agregado fino solamente tiene un rango de tamaños de partícula. La granulometría y el tamaño máximo de agregado afectan las proporciones relativas de los agregados así como los requisitos de agua y cemento, la trabajabilidad, capacidad de bombeo, economía, porosidad, contracción. a. GRANULOMETRÍA DE LOS AGREGADOS FINOS: Depende del tipo de trabajo, de la riqueza de la mezcla, y el tamaño máximo del agregado grueso. En mezclas más pobres, o cuando se emplean agregados gruesos de tamaño pequeño, la granulometría que más se aproxime al 50




porcentaje máximo que pasa por cada criba resulta lo más conveniente para lograr una buena trabajabilidad. En general, si la relación agua ± cemento se mantiene constante y la relación de agregado fino a grueso se elige correctamente, se puede hacer uso de un amplio rango de granulometría sin tener un efecto apreciable en la resistencia. Entre más uniforme sea la granulometría, mayor será la economía. Estas especificaciones permiten que los porcentajes mínimos (en peso) del material que pasa las mallas de 0.30mm (No. 50) y de 15mm (No. 100) sean reducidos a 15% y 0%, respectivamente, siempre y cuando:  El agregado que se emplee en un concreto que contenga más de 296 Kg de cemento por metro cubico cuando el concreto no tenga inclusión de aire.  Que el módulo de finura no sea inferior a 2.3 ni superior a 3.1, el agregado fino se deberá rechazar a menos de que se hagan los ajustes adecuados en las proporciones el agregado fino y grueso. Las cantidades de agregado fino que pasan las mallas de 0.30 mm (No. 50) y de 1.15 mm (No. 100), afectan la trabajabilidad, la textura superficial, y el sangrado del concreto. El módulo de finura (FM) del agregado grueso o del agregado fino se obtiene, conforme a la norma ASTM C 125, sumando los porcentajes acumulados en peso de los agregados retenidos en una serie especificada de mallas y dividiendo la suma entre 100. El módulo de finura es un índice de la finura del agregado entre mayor sea el modo de finura, más grueso será el agregado. El módulo de finura del agregado fino es útil para estimar las proporciones de los de los agregados finos y gruesos en las mezclas de concreto. b. GRANULOMETRÍA DE LOS AGREGADOS GRUESOS: El tamaño máximo del agregado grueso que se utiliza en el concreto tiene su fundamento en la economía. Comúnmente se necesita más agua y cemento para agregados de tamaño pequeño que para tamaños mayores, para revenimiento de aproximadamente 7.5 cm para un amplio rango de tamaños de agregado grueso. El número de tamaño de la granulometría (o tamaño de la granulometría). El número de tamaño se aplica a la cantidad colectiva de agregado que pasa a través de un arreglo de mallas. El tamaño máximo nominal de un agregado, es el menor tamaño de la malla por el cual debe pasar la mayor parte del agregado. La malla de tamaño máximo nominal, puede retener de 5% a 15% del agregado dependiendo del número de tamaño. Por ejemplo, el agregado de número de tamaño 67 tiene un tamaño máximo de 25 mm y un tamaño máximo nominal de 19 mm. De noventa a cien por ciento de este agregado debe pasar la malla de 19 mm y todas sus partículas deberán pasar la malla 25 mm. Por lo común el tamaño máximo de las partículas de agregado no debe pasar:  Un quinto de la dimensión más pequeña del miembro de concreto.  Tres cuartos del espaciamiento libre entre barras de refuerzo.  Un tercio del peralte de las losas.

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c. AGREGADO CON GRANULOMETRÍA DISCONTINUA: Consisten en solo un tamaño de agregado grueso siendo todas las partículas de agregado fino capaces de pasar a través de los vacíos en el agregado grueso compactado. Las mezclas con granulometría discontinua se utilizan para obtener texturas uniformes en concretos con agregados expuestos. También se emplean en concretos estructurales normales, debido a las posibles mejoras en densidad, permeabilidad, contracción, fluencia, resistencia, consolidación, y para permitir el uso de granulometría de agregados locales. Para un agregado de 19.0 mm de tamaño máximo, se pueden omitir las partículas de 4.75 mm a 9.52 mm sin hacer al concreto excesivamente áspero o propenso a segregarse. En el caso del agregado de 38.1 mm, normalmente se omiten los tamaños de 4.75 mm a 19.0 mm. Una elección incorrecta, puede resultar en un concreto susceptible de producir segregación o alveolado debido a un exceso de agregado grueso o en un concreto de baja densidad y alta demanda de agua provocada por un exceso de agregado fino. Normalmente el agregado fino ocupa del 25% al 35% del volumen del agregado total. Para un acabado terso al retirar la cimbra, se puede usar un porcentaje de agregado fino respecto del agregado total ligeramente mayor que para un acabado con agregado expuesto, pero ambos utilizan un menor contenido de agregado fino que las mezclas con granulometría continúa. El contenido de agregado fino depende del contenido del cemento, del tipo de agregado, y de la trabajabilidad. Para mantener la trabajabilidad normalmente se requiere de inclusión de aire puesto que las mezclas con granulometría discontinua con revenimiento bajo hacen uso de un bajo porcentaje de agregado fino y a falta de aire incluido producen mezclas ásperas. Se debe evitar la segregación de las mezclas con granulometría discontinua, restringiendo el revenimiento al valor mínimo acorde a una buena consolidación. Este puede variar de cero a 7.5 cm dependiendo del espesor de la sección, de la cantidad de refuerzo, y de la altura de colado. Si se requiere una mezcla áspera, los agregados con granulometría discontinua podrían producir mayores resistencias que los agregados normales empleados con contenidos de cemento similares. Sin embargo, cuando han sido proporcionados adecuadamente, estos concretos se consolidan fácilmente por vibración.

d. ÁRIDOS DE GRANULOMETRÍA CONTINUA – MÍNIMOS VACÍOS: Para esto las granulometrías deben ser "continuas", es decir que no debe faltar ningún tamaño intermedio de partícula. La pasta cementicia debe recubrir todas las partículas de agregado para "lubricarlas" cuando el concreto está fresco y para unirlas cuando el concreto está endurecido. Por lo tanto, cuanto mayor sea la superficie de los agregados mayor será la cantidad de pasta necesaria (Figura).

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Se ve que el tamaño máximo debe ser el mayor posible, esto es el máximo compatible con la estructura. Por ejemplo: para un tabique será de 19mm, para un pavimento 50 mm, para el concreto en masa de una presa 120mm. 4.2. MODULO DE FINURA: Criterio Establecido en 1925 por Duff Abrams a partir de las granulometrías del material se puede intuir una fineza promedio del material utilizando la siguiente expresión: ∑ 4.3.

𝑡

,1 4

3⁄

LABORATORIO DE GRANULOMETRÍA: Los procedimientos se detallan continuación:

a. Para agregado grueso (piedra y gravilla):  Seleccione el material de diferentes partes de la pila, esto es, del tope, del centro, de los lados y de la parte de abajo, recoja tres bandejas grandes (aproximadamente cuatro veces la cantidad que necesita) y mezcle bien, luego separe la mezcla en cuatro partes iguales, mezcle dos de las partes opuestas y descarte las otras dos como se muestra en la siguiente figura.

 Luego de mezclar nuevamente repita el procedimiento anterior y utilice el sobrante (cabe en una bandeja grande) . Esta debe ser una muestra representativa del agregado.  Pese su muestra, ésta debe ser alrededor de 25 lbs. de piedra y 10 lbs. de gravilla.  Asegúrese de que los tamices estén limpios antes de la prueba. Acomode los tamices en el vibrador en el siguiente orden, 1½", 1", ¾", ½", 3/8", #4, #8 y bandeja. Asegúrelos.  Coloque la cantidad de agregado pesado en la parte superior de los tamices previamente ordenados, tápelos. Solicite la autorización del instructor o del técnico del laboratorio para encender el vibrador por espacio de un minuto aproximadamente.  Pese el material retenido en cada tamiz y el que se quedó en la bandeja, anote esto en la hoja de datos. La suma de estas cantidades debe tener una diferencia no mayor de l%, si es mayor, el procedimiento se debe repetir. Guarde el material sobrante. Nota: Utilice la misma balanza para pesar los agregados antes y después de pasarlos por los tamices de manera que se disminuyan los errores de instrumentación.  Calcule el por ciento retenido, por ciento retenido acumulado y el por ciento pasando en cada tamiz como se muestra en la siguiente tabla. Anote estos resultados en la hoja de datos.

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b. Para agregado fino (arena de playa y arena de río)  Recoja una bandeja grande llena (cuatro veces la cantidad que necesita para la prueba, del tope, centro, lados y parte de abajo de la pila), pásela por el separador de arenas dos veces (solicite instrucciones al instructor o técnico), esto dividirá la muestra en dos cada vez que la pase por el separador, descarte una mitad cada vez que la pase por el separador y utilice la última.  Pese su muestra, ordene los tamices en el orden siguiente: #4, #8, #16, #30, #50, #100, #200, bandeja.  Siga el mismo procedimiento que para agregado grueso, además determine el módulo de finura para cada tipo de agregado fino en estudio. Para el agregado fino calcule el modulo de finura de la siguiente manera.

Para poder comparar los resultados, tanto de un agregado grueso como fino, se debe graficar en un papel semilog, y comparar con las especificaciones técnicas que se exigen.

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Curva Granulométrica

4.4. PROPIEDADES FÍSICAS: a. Densidad: Depende de la gravedad específica de sus constituyentes sólidos como de la porosidad del material mismo. La densidad de los agregados es especialmente importante para los casos en que se busca diseñar concretos de bajo o alto peso unitario. Las bajas densidades indican también que el material es poroso y débil y de alta absorción. b. Porosidad: La palabra porosidad viene de poro que significa espacio no ocupado por materia sólida en la partícula de agregado es una de las más importantes propiedades del agregado por su influencia en las otras propiedades de éste, puede influir en la estabilidad química, resistencia a la abrasión, resistencias mecánicas, propiedades elásticas, gravedad específica, absorción y permeabilidad. c. Peso Unitario: Es el resultado de dividir el peso de las partículas entre el volumen total incluyendo los vacíos. Al incluir los espacios entre partículas influye la forma de acomodo de estos, el procedimiento para su determinación se encuentra normalizado en ASTM C 29 y NTP 400.017. Es un valor útil sobre todo para hacer las transformaciones de pesos a volúmenes y viceversa. d. Porcentaje de Vacíos: Es la medida de volumen expresado en porcentaje de los espacios entre las partículas de agregados, depende del acomodo de las partículas por lo que su valor es relativo como en el caso del peso unitario. Se evalúa usando la siguiente expresión recomendada por ASTM C 29

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Donde: S

: Peso específico de masa

W

: densidad del agua

PUC

: Peso Unitario Compactado seco de agregado

e. Humedad: Es la cantidad de agua superficial retenida por la partícula, su influencia está en la mayor o menor cantidad de agua necesaria en la mezcla se expresa de la siguiente forma: 𝑡 4.5. PROPIEDADES RESISTENTES: a. Resistencia: La resistencia del concreto no puede ser mayor que el de los agregados; la textura la estructura y composición de las partículas del agregado influyen sobre la resistencia. Si los granos de los agregados no están bien cementados unos a otros consecuentemente serán débiles. La resistencia al chancado o compresión del agregado deberá ser tal que permita la resistencia total de la matriz cementante. b. Tenacidad: Esta característica está asociada con la resistencia al impacto del material. Está directamente relacionada con la flexión, angularidad y textura del material. c. Dureza: Se define como dureza de un agregado a su resistencia a la erosión abrasión o en general al desgaste. La dureza de las partículas depende de sus constituyentes. Entre las rocas a emplear en concretos éstas deben ser resistentes a procesos de abrasión o erosión y pueden ser el cuarzo, la cuarzita, las rocas densas de origen volcánico y las rocas silicosas. d. Módulo de elasticidad: Es definido como el cambio de esfuerzos con respecto a la deformación elástica, considerándosele como una medida de la resistencia del material a las deformaciones. El módulo elástico se determina en muy inusual su determinación en los agregados sin embargo el concreto experimentara deformaciones por lo que es razonable intuir que los agregados también deben tener elasticidades acordes al tipo de concreto. El valor del módulo de elasticidad además influye en el escurrimiento plástico y las contracciones que puedan presentarse.

4.6. PROPIEDADES TÉRMICAS: a. Coeficiente de expansión: Cuantifica la capacidad de aumento de dimensiones de los agregados en función de la temperatura, depende mucho de la composición y estructura 56




interna de las rocas y varia significativamente entre los diversos tipos de roca. En los agregados secos es alrededor de un 10% mayor que en estado parcialmente saturado. Los valores oscilan normalmente entre 0.9 x 10 -6 a 8.9 x 10-6 / °C. b. Calor específico: Es la cantidad de calor necesaria para incrementar en un grado centígrado la temperatura. No varía mucho en los diversos tipos de roca salvo en el caso de agregados muy ligeros y porosos. c. Conductividad térmica: Es la mayor o menor facilidad para conducir el calor. Está influenciada básicamente por la porosidad siendo su rango de variación relativamente estrecho. Los valores usuales en los agregados son de 1.1 a 2.7 BTU/ pie.hr.°F d. Difusividad: Representa la velocidad con que se pueden producir cambios térmicos dentro de una masa, se expresa como el cociente de dividir la conductividad entre el producto de calor especifico por la densidad.

4.7. PROPIEDADES QUÍMICAS: a. Reacción Alcali-Sílice: Los álcalis en el cemento están constituidos por el Oxido de sodio y de potasio quienes en condiciones de temperatura y humedad pueden reaccionar con ciertos minerales, produciendo un gel expansivo, normalmente para que se produzca esta reacción es necesario contenidos de álcalis del orden del 0.6% temperaturas ambientes de 30°C y humedades relativas de 80% y un tiempo de 5 años para que se evidencie la reacción. Existen pruebas de laboratorio para evaluar estas reacciones que se encuentran definidas en ASTM C227, ASTM C289, ASTM C-295 y que permiten obtener información para calificar la reactividad del agregado. b. Reacción Alcali-carbonatos: Se produce por reacción de los carbonatos presentes en los agregados generando sustancias expansivas, en el Perú no existen evidencias de este tipo de reacción. Los procedimientos para la evaluación de esta característica se encuentran normalizados en ASTM C-586. 4.8. POROSIDAD: Es el volumen de espacios dentro de las partículas de agregado. Tiene una gran influencia en todas las demás propiedades de los agregados, por ser representativa de la estructura interna de las partículas. No hay un método estándar ASTM para evaluarla, sin embargo existen varias formas de determinación por lo general complejas y cuya validez es relativa. Una manera indirecta de estimarla es mediante la determinación de la absorción, que da un orden de magnitud de la porosidad normalmente un 10% menor que la real, ya que como hemos indicado en el párrafo anterior, nunca llegan a saturarse completamente todos los poros de las 57




partículas. Los valores usuales en agregados usuales pueden oscilar entre 0 a 15 %, aunque por lo general el rango común es del 1 al 5%. En agregados ligeros, se pueden tener porosidades del orden del 15 al 50%. Normalmente, el concreto es una mezcla de cuatro ingredientes básicos: arena, gravilla, cemento, y agua. En el proceso de mezcla, una cierta cantidad de aire se mezcla en el concreto. El agua y el aire toman espacio dentro del concreto aún después que el concreto es derramado en el lugar y durante las primeras etapas de la fragua. Cuando el concreto es trabajado en su lugar y comienza a "cuajarse" o endurecerse, los ingredientes más pesados tienden a asentarse en el fondo mientras los ingredientes más livianos flotan arriba. Siendo el agua el más liviano de los cuatro ingredientes básicos, flota hacia arriba donde se evapora o se exprime por los lados ó el fondo. Según se exprime, se mueve en todas direcciones. El agua, al ocupar espacio, deja millones de huecos entrecruzados en todas direcciones. Según el aire escapa, tiene el mismo efecto. Estos espacios huecos se atan entre sí creando lo que llamamos poros. Frecuentemente los poros crean unas quebraduras finísimas dentro del concreto, debilitando el concreto. Según la accióncapilar del concreto atrae el agua hacia el concreto, ó la lluvia golpea los lados de la pared de concreto, ó la hidrología del agua va contra la pared de un sótano, el agua viaja por los poros a través del concreto. Los poros están entretejidos y entre conectados, permitiendo así el pasaje lento del agua a través del concreto. Mientras más denso el concreto, más apretados los poros y menos agua puede pasar a través. a) IMPORTANCIA DE LA POROSIDAD: La porosidad del agregado tiene influencia sobre la estabilidad química, resistencia a la abrasión, resistencias mecánicas, propiedades elásticas, gravedad específica, absorción y permeabilidad de las partículas, siendo todas estas propiedades menores conforme aumenta la porosidad del agregado. Igualmente, las características de los poros determinan la capacidad y velocidad de absorción, la facilidad de drenaje, el área superficial interna de las partículas, y la porción de su volumen de masa ocupado por materia sólida. b) INFLUENCIA SOBRE LAS PROPIEDADES: La velocidad de la reacción química de los agregados en el concreto, así como su estabilidad química, están influenciadas por las características de su porosidad. Los agregados que tienen alto porcentaje de poros, especialmente si estos son pequeños, tienen una mayor superficie específica susceptible de ataque químicos que aquella que pueden presentar agregados en los que hay una menor superficie de poros o estos son de gran tamaño. Las características térmicas del agregado están influenciadas por la porosidad. Cambios importantes en el coeficiente de expansión, la difusibidad y la conductividad del agregado pueden ocurrir por modificaciones del contenido de humedad del mismo. En la actualidad se considera que las características de los poros probablemente influyen en las propiedades térmicas del agregado seco. La adherencia de la pasta a las partículas de agregado está determinada por algunas propiedades de la superficie del mismo, incluidas la rugosidad y características de los poros de la zona superficial, las cuales pueden afectar la textura superficial y bondad de la adherencia de la pasta.

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4.9. PORCENTAJE PASA 200. Está representado por limo, arcilla y materia orgánica, este a su vez es perjudicial para el concreto y en las obras convencionales se acepta hasta un cinco por ciento de este material y en las exigentes hasta un tres por ciento, pero si existe menos de la pasa 200 mejor la mezcla 𝑓 4.10. PESO UNITARIO Y PESO ESPECÍFICO 4.10.1. PESO UNITARIO Es la relación entre el peso de un material y el volumen ocupado por el mismo, expresado en kilogramos por metro cubico. Se usara invariablemente para la conversión de peso a volumen; es decir para conocer el consumo de agregados por metro cubico (Kg/m3). Aunque puede realizarse el ensayo sobre agregado fino y agregado grueso; el valor que es empleado en la práctica como parámetro para la dosificación de hormigones, es el peso unitario compactado del agregado grueso.

Donde: : Peso del recipiente más el peso de la muestra (Kg) : Peso del recipiente (Kg) : Volumen del recipiente a) PESO UNITARIO SUELTO (PUS): Se denomina PUS cuando para determinarla se coloca el material seco suavemente en el recipiente hasta el punto de derrame y a continuación se nivela a ras una carilla. El concepto PUS es importante cuando se trata de manejo, transporte y almacenamiento de los agregados debido a que estos se hacen en estado suelto. Se usara invariablemente para la conversión de peso a volumen, es decir para conocer el consumo de áridos por metro cubico de hormigón. b) PESO UNITARIO COMPACTADO (PUC): Se denomina PUC cuando los granos han sido sometidos a compactación incrementando así el grado de acomodamiento de las partículas de agregado y por lo tanto el valor de la masa unitaria. El PUC es importante desde el punto de vista diseño de mezclas ya que con él se determina el volumen absoluto de los agregados por cuanto estos van a estar sometidos a una compactación durante el proceso de colocación del hormigón. Este valor se usara para el conocimiento de volúmenes de materiales apilados y que estén sujetos a acomodamiento o asentamiento provocados por él, transita sobre ellos o por la acción del tiempo. También el valor del peso unitario compactado, es de una utilidad extraordinaria para el cálculo de por ciento de vacíos de los materiales.

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Ejemplo:

4.10.2. PESO ESPECIFICO Conocido el concepto de peso unitario, es claro que cualquier tipo de materia que ocupe un volumen en el espacio posea esta propiedad. El agua como materia fluida, en su estado natural y dadas sus características físicas tiene un peso unitario cuantificado conocido, la presencia natural del agua dentro de las diferentes fases del suelo, obliga a establecer una relación universal entre los pesos unitarios contenidos dentro de un material y el agua que hace parte de ella, de esta forma se da cabida al concepto de Peso Específico (G). En consecuencia el peso específico de un agregado corresponde a la relación entre su peso unitario y el peso unitario del agua. Como el peso específico es un cociente (cantidad adimensional), no es otra cosa que la relación de dos pesos unitarios, entonces el fundamento de esta propiedad depende de su peso unitario; es preciso identificar ciertas características relacionadas con en el peso unitario que muestran indicios del comportamiento del agregado como parte de una estructura; el peso unitario está relacionado con la cantidad total de granos o partículas presentes en una muestra (en función de la porosidad) y la cantidad de agua presente en los vacíos (en función de la humedad). Los métodos de medida del peso específico se basan en el principio de Arquímedes, de esta forma el peso del mineral en el agua será igual a peso del material menos el empuje ejercido por el agua. El peso específico del agregado es el resultado de dividir el peso del agregado por el peso del volumen de agua que desaloja. Para calcular este último valor, se mide el peso del material en el aire y el peso del material en el agua, ya que el empuje será igual al peso del material menos el peso ejercido por el agua. El empuje proporcionado por el fluido será mayor cuanto mayor sea la densidad del fluido. En esta claridad se basan otros tipos de métodos no de menor importancia, que utilizan líquidos densos. Cuanto mayor sea la densidad del fluido utilizado, mayor será el peso del volumen desalojado.

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a) Peso específico – Agregado fino: a.1. Peso específico de masa (Pem):

Dónde: Pem Wo V Va

: Peso específico de masa : Peso en el aire de la muestra secada en el horno, gramos. : Volumen del frasco en cm3 : Peso en gramos o volumen en cm3 de agua añadida en el frasco

a.2. Peso específico de masa saturado con superficie seca (PeSSS)

a.3. Peso específico aparente (Pea)

a.4. Absorción (Ab)

b) Peso Específico – Agregado gruesos b.1. Peso Específico: Es la relación, a una temperatura estable, de la masa (o peso en el aire) de un volumen unitario del material, a la masa del mismo volumen del agua a las temperaturas indicadas. Los valores son adimensionales. b.2. Peso Específico Aparente: Es la relación a una temperatura estable, de la masa en el aire de un volumen unitario del agregado (incluyendo los poros permeables e impermeables en las partículas, pero no incluyendo los poros entre partículas); a la masa en el aire de igual volumen de agua destilada libre de gas. b.3. Peso Específico de Masa Saturado Superficialmente Seco (SSS): Es la relación, a una temperatura estable, de la masa en el aire de un volumen unitario de agregado incluyendo la masa de agua de los poros llenos hasta colmarse por sumersión en agua por 24 horas aproximadamente (pero no incluyendo los poros entre partículas), comparada con la masa en el aire de un igual volumen de agua de agua destilada libre de gas. b.4. Absorción: Es la cantidad de agua absorbida por el agregado después de ser sumergido 24 horas en ésta, se expresa como porcentaje del peso seco. El agregado se considera “seco” cuando éste ha sido mantenido a una temperatura de 110ºC ± 5ºC por tiempo suficiente para remover toda el agua sin combinar.

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Peso específico y Peso específico de masa (Pem):

Dónde: A: Peso de la muestra seca en el aire, gramos; B: Peso de la muestra saturada superficialmente seca en el aire, gramos; C: Peso en el agua de la muestra saturada.

Peso específico de masa saturado con superficie seca (PeSSS)

Peso específico aparente (Pea)

Absorción (Ab)

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CAPITULO VII AGLOMERANTES Se llaman materiales aglomerantes aquellos materiales que, en estado pastoso y con consistencia variable, tienen la propiedad de poderse moldear, de adherirse fácilmente a otros materiales, de unirlos entre sí, protegerlos, endurecerse y alcanzar resistencias mecánicas considerables. Son todos aquellos materiales generalmente pétreos blandos, que mezclados con agua se hacen plásticos, formando pasta y que al secarse alcanzan resistencia mecánica, siendo los aglomerantes típicos, la arcilla, yeso, cal y cemento. Los aglomerantes más utilizados son el yeso, la cal, y el cemento. Se clasifican, según su composición, en:  Primarios o Yeso o Cal o Cemento  Secundarios o Mortero o Hormigón  Materiales bituminosos o Betún o Asfalto o Alquitrán Tipos de aglomerantes  Aglomerantes aéreos: los que endurecen en contacto con el aire.  Aglomerantes hidráulicos: los que pueden endurecer en contacto con el aire y sumergidos en agua.

1. ARCILLAS Son aquellas sustancias, provenientes de la descomposición de rocas, que poseen plasticidad cuando se les humedece y que así humedecidas si se les moldea, después de secas, conservan la forma que han recibido, pero además, sometidas al fuego, después de moldeadas, a la temperatura del rojo o aún mayor, adquieren dureza y resistencia asimilable a las de las rocas naturales. a. Composición: El mineral básico de las arcillas recibe el nombre de caolín, el cual es un silicato hidratado de composición compleja y cuya fórmula química (Al 2O3.2SiO2.H2O) ó (H4Al2Si2O9). Es de color blanco o casi blanco, de estructura terrosa, grano fino, encontrándose 63




en yacimientos sedimentarios. El caolín con impurezas características forma las diversas arcillas. Entre esas impurezas se tiene: sílice, óxido férrico, magnesia, anhídrido carbónico, carbonatos de cal y hierro, algunas veces cloruro sódico y alumbre; y en mezcla menos perfecta, trozos de cuarzo, feldespato, mica, humus, etc. b. Clasificación: Las arcillas se clasifican en varias ramas, las cuales veremos a continuación:  Según su mayor o menor plasticidad: las arcillas se clasifican en grasas y magras. La plasticidad es la propiedad según la cual la arcilla embebida con agua se transforma en una masa modelable. Las arcillas grasas son las plásticas por excelencia. Son untuosas al tacto, frotándolas con la uña, cuando están húmedas, presentan una superficie unida y brillante y mojándolas exhalan el olor característico de la tierra en fermentación. Las arcilla magras, son las que poseen muy poca o ninguna plasticidad, se llaman también arcillas áridas.  Por su origen las arcillas se clasifican en residuales y transportadas: Las arcillas residuales, son aquellas que se han formado por descomposición de las rocas, permaneciendo sobre el piso de origen. Entre estas es muy importante el caolín que se ha derivado de la alteración de rocas feldespáticas tales como granito, pegmatita, etc, es de color blanquecino, de composición química definida como un silicato de alúmina hidratado casi puro. Las arcillas transportadas o sedimentarias, son las que han sido arrastradas por un agente tal como el agua, viento, acción glaciar, etc; por esta razón se llaman transportadas, y como después yacen en capas, han sido llamadas también sedimentarias.  Otro tipo de clasificación es de acuerdo a su comercialización: Arcillas caolines: Son arcillas residuales, las más puras, de alto porcentaje de caolinita. Son de alto grado, grano fino. Cocción en blanco. Se emplean en la manufactura de loza, porcelana y papel. Arcillas refractarias: Son arcillas que contienen poco óxido metálico y álcalis, y pueden resistir temperaturas elevadas sin desagregarse, por cuya razón se usan en la construcción de hornos, crisoles, estufas y obras similares. Arcillas de alfarería: Son arcillas semirefractarias de fuerte acción y muy semejantes a las arcillas refractarias. Se emplean en alfarería y cerámica. Arcillas para ladrillos y tejas: Constituyen el tipo más corriente. Son de bajo valor. Se emplean en todas partes para estos productos. Al ser sometidas a la acción del fuego adquieren un color rojo. c. Propiedades físicas y mecánicas de las arcillas  Plasticidad: Es una de las más importantes. Se produce humedeciendo las arcillas. Es mayor cuando menor es la dimensión de los granos de arcillas (0.005mm). La cantidad de agua para obtener un buen producto cerámico varía con la clase de arcilla y puede oscilar entre 15 y 35% en peso. Aunque la plasticidad es una cualidad tan importante de conocer, no hay métodos para determinarla a priori y cuyos resultados sean satisfactorio, el más 64



  

  


simple y al mismo tiempo el más recomendado es apreciarla al tacto, con los dedos, la experiencia personal es de vital importancia. Resistencia a la tensión: Es importante porque las piezas deben soportar los esfuerzos desarrollados en ellas en su manipulación en las operaciones de moldeado y secado. Molturación: La textura de las arcillas se determina por análisis granulométrico. Contracción: De ella depende la dimensión definitiva de las piezas, es usual distinguir la contracción de la arcilla modelada, o sea la producida por la evaporación del agua de la pasta, y aquella que se realiza por la cocción en el horno. Porosidad: Influye en la cantidad de agua necesaria para preparar las pastas. Fusibilidad: Es la propiedad característica de las arcillas, por la cual sometidas a temperaturas elevadas se ablanda suavemente y se funden después. Color: Las arcillas son blancas cuando están exentas de óxido de hierro y materia carbonosa, aparecen coloreadas en amarillo, pardo, rojo y aún verde, por los óxidos de hierro y gris o negro, por las materias carbonosas.

2. YESO Es un producto preparado a partir de una piedra natural denominada aljez (sulfato de calcio dihidrato: CaSO4· 2H2O), mediante deshidratación, al que puede añadirse en fábrica determinadas adiciones de otras sustancias químicas para modificar sus características de fraguado, resistencia, adherencia, retención de agua y densidad, que una vez amasado con agua, puede ser utilizado directamente. También, se emplea para la elaboración de materiales prefabricados. El yeso, como producto industrial, es sulfato de calcio semihidrato (CaSO4·½H2O), también llamado vulgarmente "yeso cocido". Se comercializa molido, en forma de polvo. Una variedad de yeso, denominada alabastro, se utiliza profusamente, por su facilidad de tallado, para elaborar pequeñas vasijas, estatuillas y otros utensilios. a. Característica de la piedra de yeso: Es una roca sedimentaria, formada principalmente por sulfato de calcio y cristalizada por dos moléculas de agua; su fórmula química es: CaSO4.2H2O, o sea un hidrato cálcico. Este mineral puede ser rayado con la uña, es de estructura lameral-granular, y de color blanco, gris rojizo. Se encuentra con impurezas constituidas por arcilla, arenisca, caliza azufre, cloruro de sodio y lignita, principalmente. A medida que es más impuro, el color pasa del gris obscuro, pardo o amarillo. En la naturaleza se encuentra también el sulfato de calcio cristalizado, anhidro, y entonces se llama anhidrita (CaSO4). Otra variedad del yeso es la selenita, en la cual el yeso se encuentra en cristales grandes, discernibles, separados individualmente, de estructura lamelar. El alabastro es una piedra a de yeso semejante al mármol blanco y de granulación cristalina. Se usa principalmente en estatuaria. Se diferencia del mármol en que se puede rayar con la uña. Nuestra piedra de Huamanga, es un alabastro.

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b. Clases de yeso Los principales, usados en la industria, son los siguientes, clasificados en grupos de acuerdo con la temperatura de cocción. Obtenido por cochura de la piedra de yeso temperatura a inferior a 200ºC:  Yeso de Paris: Es el más puro de los manufacturados, molidos en polvo impalpable. Muy blanco. Es usado para modelos de arquitectura y escultura, en medicina osteológica, etc.  Estuco o escayola: Es un yeso de París molido menos finamente.  Yeso de empastados: Es el usado en las construcciones. Tiene algunas impurezas naturales, principalmente arcillas y a veces se agregan ciertas sustancias para retardar la fragua. Obtenido por cochura de la piedra yesera a temperatura superior a 200ºC:  Yesos para pisos: Manufacturados deshidratando completamente piedra yesera. Son de fragua lenta.  Yeso al alumbre, al bórax, etc: Se obtiene agregando a la piedra yesera el producto que les da el nombre. A esta clase pertenecen las pastas industriales denominadas “Mármol artificial”, “Cemento Keene”, Cemento Paros”, etc. c. Fragua de yeso. La fragua es la propiedad que tienen todos los aglomerantes por la cual, amasados con proporción conveniente de agua, forman, en un tiempo más o menos variable, pero relativamente corto, una masa solida dotada de coherencia suficiente para ser aprovechada con determinados fines. La fragua del yeso vivo en un proceso complejo que se inicia desde el momento en que se vierte agua para amasarlo, y que pasa sucesivamente por los fenómenos de disolución, transformación química, saturación, y finalmente, cristalización.    

Disolución, cuando se vierta agua para amasarlo. Transformación química, cuando reaccionan sus componentes con el agua. Saturación, cuando se mezcla totalmente el polvo con el agua (pasta). Cristalización, Cuando se produce el endurecimiento

Estos fenómenos se producen sobre fracciones parciales de la masa, en primer lugar, y después toda ella comprometida en esas etapas. Debe llamarse la atención sobre otros dos fenómenos concurrentes con la fragua del yeso; el primero es que esta se produce con aumento de temperatura, que puede alcanzar hasta 20ºC, o sea desprendimiento de calor (el tiempo de fragua del yeso es más o menos 16 minutos); y el segundo, que el yeso aumenta de volumen al fraguar. La fragua del yeso se puede retardar agregándole algunos productos orgánicos tales como glicerina, harinas, azúcar, alcohol, sangre y cola de carpintero. En la industria se usa un retardador a base de pelos, soda caustica, y cal viva y la cal actúa como un secante. Como acelerador de la fragua se emplea el alumbre y la sal de cocina.

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d. Especificaciones técnicas. La generalidad de los yesos limeños poseen las siguientes características:  Molturación o grado de finura: pasan la malla14. No menos del 40%, ni más del 75%, pasan la malla 100. (La resistencia a la tracción del yeso, aumenta proporcionalmente a su grado de finura).  Volumen en seco: 1-2 m3 por 1,000 Kg de yeso vivo.  Tiempo de fragua: de 16 a 20 minutos.  Volumen del agua: el necesario para preparar la pasta, es el 60% del volumen del yeso vivo.  Volumen de la pasta: 95% del volumen del yeso vivo.

e. Resistencias. La generalidad de los pliegos de especificación, prescriben que la resistencia mínima debe ser la de 8 Kg/cm2, a la tensión, a las 2 horas; y de 16 Kg/cm2 a los siete días, para yesos cocidos en calderas. Como resistencia a la compresión se suele considerar la de 80 Kg/cm 2, para el yeso de construcción; y de 180 Kg/cm2 para el de pisos.

f. Fabricación de los yesos: Comprende tres etapas:  Trituración de la roca: El material es extraído de las canteras, luego se efectúa el chancado en chancadoras o molinos, escogiendo el modelo de la máquina de acuerdo a la dureza de la roca, del volumen de producción, etc.  Cocción: Tiene por objeto la deshidratación de la piedra yesera y se puede ejecutar mediante huayronas, calderas o kilas u hornos rotatorios  Pulverización: Después de la cocción el yeso es reducido a polvo, forma en que se expende al público, la pulverización se da por medio de molinos del tipo barra o también por molino de bolas. 3. CAL Es el producto resultante de la descomposición, por el calor, de las rocas calizas, que son carbonatos cálcicos o carbonatos de calcio. Si las calizas son puras y se calientan a 900ºC, se verifica la siguiente reacción: CaCaO3 +calor

CO2 + CaO

Es decir que el carbonato cálcico se descompone, originando anhídrido carbónico y óxido de calcio o cal viva. El anhídrido carbónico es gaseoso y se escapa con los humos de la combustión, quedando, pues, como residuo de la combustión el óxido de calcio. Las piedras de cal o calizas naturales, casi nunca se encuentran puras, ose en forma de carbonato cálcico, sino acompañados de otros cuerpos extraños, principalmente arcilla, 67




magnesia, hierro, azufre, álcalis y materias orgánicas, comunicándole a la cal, proveniente de aquellas, determinadas características. El carbonato cálcico se presenta, en la naturaleza en multitud de formas, siendo muy abundante, se le conoce con los siguientes nombres:    

Aragonito, Calcita, Caliza, Creta,

espato de Islandia, estalactitas y estalagmitas, mármol, piedra litográfica, etc., etc.

a. CLASIFICACIÓN DE LA CAL: Las distintas clases de cal se pueden agrupar en la forma siguiente. Por la acción del agua:  Cal viva, es una sal blanca o morfa, muy inestable pues posee gran avidez por el agua  Cal apagada, es producto de la reacción de la cal viva con el agua, la temperatura a que da lugar esta reacción es de unos 160 °C. Por su grosura:  Cal de grasa: Se obtiene de una caliza que contiene hasta 5% de arcilla. Esta cal al apagarse forma una pasta ligosa y untuosa al tacto, lo que ha dado origen a su nombre.  Cal árida: Se procede de calizas que aun teniendo menos de 5% de arcilla contiene además de óxido de magnesio en porción superior al 10%.  Cal hidráulica: Es la proveniente de la calcinación de calizas que tienen más de 5% de arcilla y que da un producto que además de los caracteres que poseen los cales grasas, puede endurecerse y consolidarse bajo el agua. Por refinamiento industrial:  Cemento grappier: Formado por tozos sumamente calcinados obtenido después del apagado de la cal hidráulica, los cuales son molidos constituyendo un material de cementación gracias al silicato de cal que contienen, en grado mayor o menor.  Cemento Lafarge: Usado en EE.UU., siendo un producto similar al anterior. En el mercado limeño se encuentran las siguientes clases de cal:      

De obra.- la más barata contiene impurezas y de color no blanco. Fina.- de color blanco, por la usencia de impurezas. Tamiza.- exenta de grumos o granos gruesos. Hidráulica.- preparada para endurecerse en presencia del agua. Blanca fina.- usada en la preparación del revestimiento decorativo. Cal viva.

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b. Proceso de fabricación de la cal:  Obtención de la piedra caliza, la explotación de las canteras se puede hacer por cortes a cielo abierto.  Calcinación de la piedra caliza, se realiza mediante huayronas, hornos intermitentes y hornos continuos. c. Proceso de fabricación de la cal:  Obtención de la piedra caliza, la explotación de las canteras se puede hacer por cortes a cielo abierto.  Calcinación de la piedra caliza, se realiza mediante huayronas, hornos intermitentes y hornos continuos. d. Apagado de la Cal: En Ingeniería Civil, la cal se usa apagada, este proceso se realiza con un fuerte desprendimiento de calor, teóricamente el apagado de la cal viva solo requiere un volumen de agua equivalente al 35% del peso de la cal; sin embargo en la práctica se usa mayor cantidad de agua que lo indicado, los albañiles apagan un volumen de cal con 1.5 a 2 volúmenes de agua. .El apagado de la cal se puede hacer por los métodos siguientes:  APAGADO ESPONTÁNEO: Es el que realiza por el contacto natural de la cal con la humedad o vapor de agua de la atmósfera.  APAGADO POR ASPERSIÓN: Se humedece la cal con una regadera o con un pulverizador, extendiéndole previamente sobre una superficie en capas de poco espesor que son regados sucesivamente.  APAGADO EN OBRA: Consiste en formar una pila o cono de arena en cuyo eje se practica una especie de cráter, en el cual se arrojan los trozos de cal viva, luego se vierte sobre la arena un volumen de agua igual a 3 veces el de la cal, esto se hace cuando se emplea en argamasa (agua, cal, arena). Otro sistema muy usual es echar la cal viva con suficiente cantidad de agua en cubetas o posas impermeables, y después de apagado pasarla por mallas atómicas, con el fin de separar los trozos duros o impurezas. En otros casos se acostumbra apagar la cal siete días antes de emplearla con argamasa y 30 días antes cuando se le va a usar en revoques (enlucidos, tarrageos). e. Características y aplicaciones: La característica fundamental de la cal grasa es la ausencia de fraguado y endurecimiento hidráulico. El endurecimiento en el aire tiene lugar a largo plazo, unos 6 meses, el endurecimiento se produce del exterior al interior de la masa del mortero. La cantidad de agua de la masa puede producir fisuraciones o secado demasiado rápido al mismo tiempo que disminuye el endurecimiento. El empleo de la cal grasa o aérea es fundamental en morteros para enlucidos y revoques, así como en trabajos de albañilería. Cuando el mortero de cal se aplica en acabados o enlucidos al exterior, pueden presentar fisuraciones, porque el agua es retenida durante largo plazo debido a que no hay, sustancias en el mortero capaces de absolverla.

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Los morteros de cal se transforman en morteros mixtos agregándoles cemento Portland con el fin de darles un fraguado y aumentar su resistencia, al mismo tiempo que reduce la tendencia a la fisuración. Las proporciones más usuales de estos morteros mixtos en cemento, cal y arena son 1:2:8 y cuando hay posibilidades de heladas es preferible el empleo de una dosificación próxima a 1:1:5. 4. Puzolanas: Son las sustancias, naturales o artificiales que reducidas a polvo y amasadas con la cal proporcionan a estas propiedades hidráulicas. Las puzolanas naturales son todas volcánicas, es decir polvos cenizados o cenizas o barros de origen eruptivo, que han tomado la consistencia de rocas deleznables, en cuanto a su composición química son silicatos alumínicos hidratados de color gris amarillento, rojizo o verdoso Para emplearla se pulverizan simplemente a las rocas originarias y se añaden a la cal en proporciones, determinadas principalmente por la experiencia. Las puzolanas artificiales se preparan calcinado arcillas o pizarras a temperaturas que van de 600 °C a 900° C. El producto de la calcinación se pulveriza y se emplea en forma similar a las puzolanas naturales. El principal uso que se le da en Ingeniería Civil, es de darles propiedades hidráulicas a las cales, también se emplea en la fabricación del llamado cemento portland puzolánico. Las propiedades de las puzolanas dependen de la composición química y la estructura interna. Se prefiere puzolanas con composición química tal que la presencia de los tres principales óxidos (SiO2, Al2O3, Fe2O3) sea mayor del 70%. Se trata que la puzolana tenga una estructura amorfa. En el caso de las puzolanas obtenidas como desechos de la agricultura (cenizas de la caña de azúcar y el arroz), la forma más viable de mejorar sus propiedades es realizar una quema controlada en incineradores rústicos, donde se controla la temperatura de combustión, y el tiempo de residencia del material. Si la temperatura de combustión está en el rango entre 400-760 °C, hay garantía de que la sílice se forma en fases amorfas, de mucha reactividad. Para temperaturas superiores comienzan a formarse fases cristalinas de sílice, poco reactivas a temperatura ambiente.

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CAPITULO VIII CEMENTO Se denomina cemento a un conglomerante formado a partir de una mezcla de caliza y arcilla calcinadas y posteriormente molidas, que tiene la propiedad de endurecer al contacto con el agua. 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 España y el Caribe hispano) o concreto (en México y Sudamérica). Su uso está muy generalizado en construcción e ingeniería civil. 1. CEMENTO PORTLAND: El cemento Portland es un conglomerante o cemento hidráulico que cuando se mezcla con áridos, agua y fibras de acero discontinuas y discretas tiene la propiedad de conformar una masa pétrea resistente y duradera denominada hormigón. Es el más usual en la construcción utilizada como aglomerante para la preparación del hormigón o concreta. Como cemento hidráulico tiene la propiedad de fraguar y endurecer en presencia de agua, al reaccionar químicamente con ella para formar un material de buenas propiedades aglutinantes. Fue inventado en 1824 en Inglaterra por el constructor Joseph Aspdin. El nombre se debe a la semejanza en aspecto con las rocas que se encuentran en la isla de Pórtland, en el condado de Dorset. A diferencia de cómo muchos creen, su origen no está relacionado con Portland, Oregón, EEUU. 2. COMPOSICIÓN QUÍMICA: El cemento obtenido tiene una composición del tipo:  64% óxido de calcio  21% óxido de silicio  5,5% óxido de aluminio  4,5% óxido de hierro  2,4% óxido de magnesio  1,6% sulfatos  1% otros materiales, entre los cuales principalmente agua. Las materias primas que se usan para la fabricación del clinker, aportan con 4 óxidos fundamentales: SiO2, Al2O3, Fe2O3 y CaO, mientras que el MgO, Na2O, y K2O, pueden considerarse como accidentales debido a su pequeño porcentaje. Por consiguiente, la composición química del clinker se presenta por medio del sistema cuaternario: CaO – SiO2 – Al2O3 – Fe2O3 A continuación se describen brevemente a los óxidos de la siguiente manera:  OXIDO DE CALCIO: Se ha descrito al estudiar la cal.  DIÓXIDO DE SILICIO: Se encuentra en abundancia en la naturaleza, formando parte de los silicatos, en las variedades cristalizadas cuarzo ß, tridimita r, cristobalita ß y en forma vitrea en la silicie fundida. La sílice pura o cuarzo ß, establece a la temperatura 71




ordinaria, se transforma a 573 °C en cuarzo α, cristalizando en prismas hexagonales ( densidad: 2,65 y dureza: 2,7 ); a 870 °C se obtiene la tridimita α, de las que existen la variedad α, β y r ( densidad: 2,28 ) y a 1 470 °C se forma la cristobalita α ( densidad: 2,33 ), se funde a 1 710 °C ( densidad: 2,20 ) , ocupando este cuarzo vítreo un volumen mayor que el cuarzo β. Para que el cuarzo se transforme en tridimita y cristobalita hay que calentar muy despacio, pues ordinariamente a los 1 600 °C. Forma una masa vítrea pastosa que no cristaliza al enfriarse. Aunque la Sílice sea químicamente inerte a la temperatura ordinaria, reacciona enérgicamente con las bases, a temperaturas elevadas, formando los silicatos. El bióxido de silicio, a pesar de no unirse directamente con el agua se le considera como anhídrido, formando gases del ácido silícico que, aunque no se hayan aislado, se les puede considerar como hidratos SiO2.H2O ó SiO3H2 (ácido metasilícico), y el SiO2, 2H2O ó SiO4H4 ( ácido ortosilícico ), aun con más moléculas de agua y bióxido de silicio se forman compuestos muy complejos.  OXIDO DE ALUMINIO: Llamado también alumina, se encuentra en la naturaleza en forma de corindón incoloro, se funde a 2 505 °C, cristalizando en numerosas formas por enfriamiento. Tiene una densidad de 4 y un a dureza de 9 en la escala de Mohs. La alumina se halla combinada en la arcilla (2SiO2Al2O3.2H2O) y la eliminación de la sílice da origen a la formación de dos óxidos hidratados, el diásporo (Al2O3. H2O), y la hidrargirita ó gibsita (Al2O3. 3H2O), siendo la bauxita  OXIDO FÉRRICO: Es muy abundante en la naturaleza, constituyendo el mineral de hierro llamado oligisto y hematites roja. En el cemento Pórtland se encuentra en dosis pequeñas, pues provienen de las impurezas de las arcillas, pero en los cementos aluminosos alcanzan proporciones importantes procediendo de la bauxita. Este oxido da el color al cemento. Se parece a la alumina, cambiándose principalmente con la cal. Existen dos óxidos férricos hidratados amorfos, uno de color amarillo y el otro rojizo de fórmula: Fe(OH)3.H2O. Los componentes minoritarios del cemento, también tiene una libera importancia en el proceso de fabricación así como en las propiedades fisicoquímicas del cemento, a continuación se detallan algunos de ellos:  El contenido de MgO (óxido de magnesio): Cuando es superior al 5% en el clinker, el cemento puede ser ya expansivo. Se debe este fenómeno a que el MgO en pequeña proporción dentro del sistema SiO2– CaO–Al2O3 no reacciona durante la clinkerización, quedándose como tal MgO. Este oxido magnésico reacciona con el agua con un importante retraso, incluso de meses, con respecto al fraguado y endurecimiento. Como que esta reacción es semejante a la de la hidrolisis del CaO, es decir, es exotérmica, da lugar a un importante aumento de volumen y generación de calor produciendo la expansión o rotura del aglomerante.  El contenido de Na2O y K2O: El óxido de sodio (Na2O)y el óxido de potasio (K2O) se le conoce con el nombre de álcalis ( aunque en el cemento existen también otros álcalis). Se ha 72




encontrado que estos compuestos reaccionan con algunos agregados con afinidad química. Como la cantidad de álcalis depende tan solo del cemento, su concentración en la superficie reactiva del agregado dependerá de la magnitud de estas superficies. El contenido mínimo de álcalis del cemento con el cual puede haber una reacción expansiva es de 0.6% expresado en oxido de sodio. Este porcentaje se calcula mediante estequiometria como el contenido real de Na2O más 0.658 por el contenido de K2O del clinker. Sin embargo, en casos excepcionales se han observado cementos con menor contenido de álcalis que causan expansión de un concreto elaborado con un agregado reactivo dado es mayor al elevarse el contenido alcalino del cemento y, para una misma composición de cemento, al elevarse su finura.  El contenido en SO3: El contenido en anhídrido sulfúrico decide la calidad del cemento Pórtland por varios motivos: cuando su valor en porcentaje está fuera de un estrecho margen (entre 2 y 4 %) afecta el tiempo de fraguado. Cuando es menor, el fraguado puede ser muy rápido, como consecuencia del escaso afecto retardador. Cuando su valor es de 6 a 10% inhibe el fraguado, no existiendo ni afecto expansivo se produce cuando el contenido en SO 3 excede del 4 al 4.5%, según la finura del cemento.  El contenido de Cal Libre (C.L.): Debe ser inferior al 2%, dada la expansión de volumen que produce su hidrólisis que provocaría un efecto destructivo.  El residuo insoluble (R.I.): El residuo insoluble es la cantidad de material que no se disuelve en ácido clorhídrico (HCl) al 10%. Incluso lo es el yeso, por lo que un cemento, sin adiciones de otros materiales distintos a la caliza, como son las rocas básicas, puzolanas, cuarzos, feldespatos, etc., da un valor de R. I de alrededor de un 0.5%. Al aumentar el R. I disminuyen las resistencias, a no ser que esta disminución sea simultáneamente contrarrestada por la mejora de otras variables, por ejemplo, aumentándola finura del cemento. Los tipos de cementos especiales como puzolánicos o cenizas volantes, poseen elevados residuos insolubles.  La pérdida al fuego (P.F.): Esta determinación analítica se verifica normalmente a la temperatura de 950 °C 10°C y es a esta temperatura en la que se ha conseguido la descarbonatacion del carbonato cálcico (CaCO3), que eventualmente puede estar presente en el cemento y, por consiguiente, mide la cantidad de anhídrido carbónico (CO 2) de los carbonatos presentes o la absorbida por meteorizacion, así como la cantidad de agua de hidratación incorporada al aglomerante por la misma causa. El valor de la pérdida al fuego nos da la idea del estado de meteorización de un cemento, el agua giroscópica presente en la atmósfera, adicionada al cemento puede llegar a hidrolizar previamente los silicatos y por tanto, es tan necesario comprobar este valor en los cementos almacenados antes de su puesta en obra.  El contenido de óxido de manganeso (Mn3O3) y El óxido de titanio (TiO2): El primero no tiene significación especial en las propiedades del cemento, salvo en su coloración, que tiende a ser marrón si se tienen contenidos mayores del 3%. Se ha observado que en casos donde los 73




contenidos superan el 5% se obtiene disminución de resistencia a largo plazo. El óxido de titanio influye en la resistencia, reduciéndola para los contenidos superiores al 5%. Para contenidos menores no tiene mayor trascendencia.  El contenido de P2O5: Influye como perturbador en la cristalización de las fases en cantidad que superan el 0.5%. 3. FABRICACIÓN DEL CEMENTO: Los materiales principales con los que se fabrica el cemento son: un material calcáreo (Piedra caliza, greda o marga), y un material arcilloso (arcilla, pizarra), materiales que contengan sílice. Las materia primas finamente molidas e íntimamente mezcladas, se calientan hasta principio de la fusión (alrededor de 1500 °C), usualmente en hornos giratorios. Al material parcialmente fundido que sale del horno se le denomina clinker. El clinker enfriado y molido a polvo muy fino es lo que constituye el cemento Pórtland. Durante la molienda se agrega una pequeña cantidad de yeso para controlar las propiedades de fraguado.

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a. MATERIAS PRIMAS:     

Calizas(CaCo3) Fundamentales Crudo o harina Arcillas – Margas (Sílice). Bauxita (Al).

b. PROCESO:  Extracción de la cantera: trituración, criba.  Molino Crudo: Precalentamiento.  Horno de Clinker: enfriamiento.  Molino cemento: adiciones.  Expedición. Para los cementos con aire incluido el material necesario para impartir las propiedades del aire incluido se añade se añade durante la molienda del clinker. c. FASES:  Desecación (precalentamiento) <900ºC. Se descompone la calcita. Deshidratación de las arcillas. Se forman los óxidos de hierro.  Calefacción. <1100ºC. 1er Etapa. sinterización: Formación: AF4C; A3C; F2C; Comienzo: S2C (silicato dicálcico).  Calcinación. <1500ºC. 2do Etapa. sinterización: Formación: S2C + CaO = S3C (Silicato tricálcico), que es lo que le da al cemento la resistencia inicial.  Reacción (Enfriamiento: Se realiza un enfriamiento brusco evitando así la descomposición, ya que el silicato tricálcico es muy inestable.  Molturación: Ya se le puede llamar cemento, y pasa por una molturación o amasado donde se le añaden las adiciones.

4. MÓDULOS DE LOS CEMENTOS  Módulo de fundente o módulo de alúmina: Es el módulo o parámetro que nos fija la composición, cualitativa y cuantitativa de la fase fundida.

El módulo de fundentes, es un valor que no afecta a las resistencias a largo plazo, sino tan solo a las resistencias iníciales cuando es elevado. Influye sobre la mayor o menor facilidad de clinkerización por su acción sobre la viscosidad de la fase liquida a alta 75




temperatura. Al disminuir su valor, como se consigue normalmente por una adición al crudo de 1% a 2% de Fe2O3, disminuye la temperatura de combinabilidad del clinker; en igualdad de composición deja más CaO disponible aumentando el contenido de silicatos y disminuyendo el contenido de aluminato tricálcico (C 3A). Este es la base para la elaboración de cementos especiales resistentes a la acción agresiva de los sulfatos, limitando el contenido de C3A, entre 3% y 5%. Cuando el M.F., es igual a 0.64, todo el óxido de aluminio forma el ferroaluminato tetracálcico (C4AF), en cuyo caso no cristaliza prácticamente el C3A. Este tipo de clinker, constituye el fundamento de los cementos resistentes a los sulfatos.

 Módulo Hidráulico: Es la relación entre el óxido de calcio y los demás componentes óxidos primarios del cemento.

El valor óptimo del módulo Hidráulico, para obtener altas resistencias, es el comprendido entre 1.8 y 2.2. Cuando este valor es inferior a 1.8, el aglomerante tiene resistencias muy bajas y cuando el valor es superior a 2.2, el aglomerante, una vez puesto en obra, sufre al cabo de pocos días o semanas un fenómeno de agrietamiento por expansión, formando grietas centrífugas.

 Módulo de los Silicatos: El valor límite aproximado es:

Cuanto más elevado sea el módulo de silicatos, dentro de su variación normal de 1.8 a 3.5, mayor contenido total de silicatos tricálcico (C 3S ) y silicato bicálcico ( C2S ) se tendrá en el clinker o cemento, así como un mayor potencial de resistencia a cualquier plazo. Los valores favorables están entre 2.2 y 2.6 a veces también se hallan valores más altos, por ejemplo, de 3 hasta 5 y hasta más elevados, precisamente para cementos de alta riqueza en sílice y en los cementos blancos. De modo general, los valores que se presentan son más bajos, por ejemplo entre 2 y 1.5 módulo de silicato creciente implica empeoramiento de las condiciones de cocción del clinker por descenso de fase líquida y baja tendencia de formación de costra. Además de ello, los cementos con módulo de silicatos altos suponen cementos de fraguado y endurecimiento lento. Por descenso del módulo de silicatos crece la cuantía de fase líquida; esto condiciona la buena aptitud a la cocción del clinker y a la formación de costra.  Módulo de silicio: Mussgung llamó módulo silícico a la relación SiO2/Al2O3. En la cocción del clinker de horno rotatorio se obtienen buenas condiciones de formación de costra en la zona de cocción si el valor de este cociente está situado entre 2.5 y 3.5 y si simultáneamente, el módulo de alúmina se halla entre los límites de 1.8 a 2.3 76




 Estándar de cal o factores de saturación de cal: El valor límite aproximado es:

El estándar de cal mide el grado de formación de los compuestos cálcicos. Su variación normal, oscila entre 88 – 97, siendo el límite superior el valor que da lugar a una mayor cantidad de silicato tricálcico (C3S), en comparación con análogos contenidos en Al2O3 y Fe2O3 y es, por tanto el más favorable para las resistencias.

5. CARACTERÍSTICAS FISICOQUÍMICAS DE LOS CEMENTOS  Finura de molido: La finura del cemento influye en el calor liberado y en la velocidad de hidratación. A mayor finura del cemento, mayor rapidez de hidratación del cemento y por lo tanto mayor desarrollo de resistencia. Los efectos que una mayor finura provoca sobre la resistencia se manifiestan principalmente durante los primeros siete días. La finura se mide por medio del ensayo del turbidímetro de Wagner (ASTM C 115), el ensayo Blaine de permeabilidad al aire (ASTM C 204), o con la malla No.325 (45 mieras) (ASTM C 430). Aproximadamente del 85% al 95% de las partículas de cemento son menores de 45 micras.  Tiempo de fraguado: Se refiere al fenómeno en que la pasta de cemento se rigidiza hasta que cambia de un estado plástico a sólido. Es diferente el fraguado al endurecimiento: En el endurecimiento la pasta adquiere resistencia, en el fraguado no. El fraguado se define mediante el fraguado inicial y el fraguado final. Las definiciones de fraguado inicial y final son arbitrarios y basados en el aparato de Vicat o las agujas de Gillmore. Si el cemento está expuesto a humedad cuando está almacenado, puede ocurrir un falso fraguado, en el cual el cemento se rigidiza a los pocos minutos de empezar la mezcla.  Hidratación del cemento: Es la reacción química entre las partículas de cemento y el agua. Muchas reacciones químicas ocurren ya que el cemento tiene muchos compuestos químicos. Los aluminatos se hidratan más rápido que los silicatos. La reacción del aluminato tricalcio con el agua es inmediata y libera mucho calor. El yeso se usa para retrasar la velocidad de esta reacción produciendo iones de sulfato. El balance entre el aluminato y sulfato determina la velocidad de fraguado. El cemento de fraguado normal tiene poca concentración de aluminato y sulfato. Permanece manejable por 45min y empieza a solidificarse a las 2-4 horas. Exceso de aluminato y sulfato la manejabilidad dura aproximadamente 10 min y se solidifica entre 1-2 horas. Alto aluminato con bajo sulfato produce un fraguado rápido (10-45 min) o un fraguado instantáneo (<10 min). Bajo aluminato y alto sulfato produce también un fraguado instantáneo. El silicato tricalcio se hidrata más rápido que el silicato dicalcio, contribuyendo al tiempo de fraguado final y la ganancia de resistencia inicial.

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 Relación agua – cemento: En 1918 Abrams encontró que la razón del peso del agua al del cemento (w/c ratio) influía en todas las propiedades buenas del hormigón. Ley de Abrams: Para un hormigón totalmente compactado hecho con agregados buenos y limpios, la resistencia y otras características buenas se mejoran disminuyendo la cantidad de agua por unidad de peso de cemento. ¿Porque esto ocurre? La hidratación requiere apenas 0.22-0.25 kg de agua por kilo de cemento. Se debe usar más agua para que la mezcla sea manejable. Esta agua en exceso al evaporarse crean vacios capilares. Los vacios capilares aumentan la porosidad y la permeabilidad del hormigón y reducen su resistencia. Una relación agua-cemento baja también aumenta la resistencia al medio ambiente, provee una buena adhesión entre capas de hormigón, provee una buena adherencia entre hormigón y acero y limita los cambios de volumen debido al secado y humedecido.  Calor de hidratación: El calor de hidratación se define como la cantidad de calor en calorías por gramo de cemento deshidratado, generad o después de una hidratación completa a una temperatura dada. Para que un cemento se endurezca al esparcirle agua, se necesita una reacción química, esta reacción química libera calor y seguirá liberando calor (y por lo tanto ganando resistencia) hasta que cada singular partícula de cemento este hidratada.

6. CLASIFICACIÓN DE LOS CEMENTOS De acuerdo a las Normas Técnicas Peruanas (NTP 334.009:2011) y a las internacionales ASTM, los cementos están clasificados en dos grandes grupos: a. CEMENTOS PORTLAND COMUNES: La norma C – 150 de la ASTM, clasifica al cemento Portland común en cinco tipos diferentes, de acuerdo a las proporciones relativas de los cuatro componentes mineralógicos principales y a las condiciones de uso, los cuales son:

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 Cemento tipo I o normal: Este tipo para uso general. Se recomienda para construcciones normales en que no se requieren las propiedades especiales de los otros tipos. Se usa donde el concreto no va a estar expuesto al ataque de factores específicos, como a los sulfatos del suelo o del agua, o a aleaciones perjudiciales de temperatura, debido al calor generado en la hidratación. En el Perú, se fabrican los siguientes cementos tipo I: Pacasmayo, Sol, Andino, Yura y Rumi.  Cemento Tipo II o Moderado: Este tipo de cemento se fabrica para ser empleado en construcciones de concreto, las cuales han de estar expuestas al ataque moderado por los sulfatos (sulfato soluble en el suelo como SO4-2 0.1 – 0.2% o sulfatos en agua: 150 – 1,500 p.p.m. ) o en aquellos casos en que se requiere moderado calor de hidratación. Se caracteriza por su contenido de C3A menor del 8%. La suma de C3S y C2S asegura una adecuada resistencia, tanto en el periodo inicial de fraguado como en edades posteriores. Además, de las propiedades que caracteriza al cemento tipo I, estos cementos presentan menores cambios de volumen, menor tendencia a la exudación, moderada resistencia al ataque de sulfatos y menor generación de calor de hidratación. En el Perú, se fabrica únicamente el cemento Andino Tipo II.  Cemento Tipo III o de rápido Endurecimiento: Este tipo de cemento permite obtener con rapidez elevadas resistencias, usualmente en una semana o menos. A los 28 días, la diferencia de Resistencia con el cemento Tipo I, tiende a desaparecer. La alta resistencia inicial puede lograrse por modificaciones en la dosificación de crudos de la composición química, a fin de obtener un porcentaje más alto de C 3S; o por un incremento en la finura del cemento, dado que se obtiene una mayor área superficial, la cual expuesta a la acción del agua dará lugar a una hidratación y endurecimiento más rápidos. Si bien, con inicial más alta, esta principalmente expuesto a procesos de agrietamiento por contracción por secado. Igualmente, debido a los altos porcentajes de C 3S y C3A, o al mayor grado de finura, la generación de calor es más alta que en los cementos Tipo I. Este tipo de permite retirar los moldes o encofrados lo más pronto que sea posible, o cuando la estructura se debe poner en servicio rápidamente. También se puede usar en climas fríos, pues, su uso, permite reducir el periodo de curado controlado. En el Perú, no se fabrica este tipo de cemento.  Cemento Tipo IV o De Bajo Calor de Hidratación: Este tipo de cemento se fabrica para ser empleado donde el grado y la cantidad de calor generado se debe reducirla mínimo, es decir, en aquellos casos en que se requiere un bajo calor de hidratación. Sus características principales son: altos porcentajes de C 2S y C4AF; lenta generación de calor; buena resistencia a la acción de los sulfatos; lento desarrollo de resistencia a la comprensión aunque a edades avanzadas alcanza los mismos valores de los otros tipos de cemento; buena resistencia al agrietamiento. Este cemento, es especialmente recomendado para ser usado en circunstancias que requieren grandes masas de concreto, como las grandes presas de gravedad, donde la elevación producida en la temperatura por el calor generado durante el endurecimiento es un factor crítico. Dada su lenta velocidad de hidratación, en general, es inadecuado para la construcción de estructuras normales, dado que requiere un curado de

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por lo menos 21 días para obtener un adecuado desarrollo de resistencia a la compresión y al interperismo. No existe en el mercado nacional.  Cemento Tipo V o Resistente a los Sulfatos: Este tipo de cemento se fabrica para ser empleado en aquellos casos en que se requiera alta resistencia a la acción de los sulfatos (sulfatos soluble en agua presente en el suelo como: SO4 = 0.2 – 2% o sulfato en agua: 1,500 – 10,000 ppm. ), la cual se obtiene por un alto contenido de C 3A ( menor del 5% ). El contenido de silicatos cálcicos hace que este tipo de cemento tenga alta resistencia a compresión, aunque su desarrollo de resistencia aumenta más lentamente que en el cemento Tipo I. El calor generado durante la hidratación no difiere fundamentalmente del de los cementos tipo IV. Por sus características es el cemento que más se aproxima al cemento ideal. En el Perú, existe el cemento Pacasmayo y el Cemento Andino, correspondiente a este tipo. b. CEMENTO PORTLAND ADICIONADOS  Cemento Adicionado binario: Un cemento adicionado hidráulico que consiste en cemento Portland con cemento de escoria o cemento Portland con una puzolana.  Cemento Adicionado ternario: Un cemento adicionado hidráulico que consiste en cemento Portland con una combinación de dos puzolanas diferente, o cemento Portland con cemento de escoria y una puzolana. La NTP 334.090 aplica a los siguientes tipos de cementos adicionados que generalmente son concebidos para el uso indicado: Cementos Portland adicionados para construcción de concreto en gerenal.     

Tipo IS: Cemento Portland con escorias de alto horno. Tipo IP: Cemento Portland puzolánico. Tipo I(PM): Cemento Portland puzolanico modificado Tipo IT: Cemento adicionado ternario Tipo ICo: Cemento Portland compuesto. CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DE LOS CEMENTOS PERUANOS

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CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS CEMENTOS PERUANOS

7. COMPOSICIÓN MINERALÓGICA DEL CEMENTO El análisis químico del cemento, en términos de porcentaje de óxidos, tiene poco significado en lo que respecta a las propiedades del mismo, ya que son los compuestos formados durante el proceso de fabricación por interacción de los cuatro óxidos fundamentales mencionados anteriormente, los cuales son los responsables del fraguado y resistencia del cemento hidratado. De los cuatro óxidos fundamentales: CaO, SiO2, Al2O3 y Fe2O3, uno solo tiene carácter básico: el óxido de calcio (CaO). Los otros tres se comportan como anhídridos, es decir, con carácter ácido. Debido a ello, es fácil comprender que en el proceso de formación del clinker, las materias primas que contengan los cuatro óxidos fundamentales, formaran compuestos de cal, tales compuestos serán: silicato de calcio, aluminatos de Calcio y Ferro-Aluminatos de calcio. El óxido de calcio, por consiguiente, satura hasta un cierto límite los componentes ácidos y para que dicha saturación tenga lugar, las cantidades de los cuatro componentes principales han de cumplir una serie de reacciones denominadas módulos. Es decir, la mezcla de caliza, arcilla y otros componentes han de tener una proporción conveniente de estos. Durante el proceso de cocción y a distintas temperaturas se forman unos determinados compuestos mineralógicos, unos primeros, otros después, dentro de un amplio rango de temperaturas: entre 1000 y 1450°C, aproximadamente. Se puede considerar que el cemento se encuentra en un EQUILIBRIO CONGELADO, asumiendo que los productos enfriados producen el equilibrio existente a la temperatura de clinkerizacion.

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a. Silicato Tricálcico (C3S): Es el material más importante del clinker y determina la rapidez del fraguado, la resistencia mecánica y otras propiedades del cemento Pórtland, su cantidad en el clinker es de 40 a 60%. Se vuelve gelatinoso en pocas horas, generando una cantidad apreciable de calor de hidratación, que llega a 380J/g, a los 28 días. Su fragua inicial y final se realiza a pocas horas después del amasado y termina en un periodo inferior a 7 días, por ello, se le atribuye el rápido desarrollo de las resistencias iníciales. Comercialmente se le denomina Alita y representa una solución sólida de silicato tricálcico con una pequeña cantidad (2 a 4%) de MgO, Al2O3, P2O5, Cr2O3 y de otras impurezas que pueden influir considerablemente sobre la estructura y las propiedades. Según Regours y Guinier, en el intervalo entre la temperatura normal y 1100 °C, el C 3S se cristaliza en seis formas poliformas. La alita se fija en el clinker en forma de una modificación trigonal. Observando una microfotografía de una placa pulimentada y decapada del clinker, los cristales de alita tienen, por lo general, forma hexagonal o rectangular. Son preferible los cristales de forma regular alargada con un tamaño de 0.003 a 0.02 mm, que favorecen las resistencias mecánicas del cemento. Las mezclas de C3S y agua son menos plásticas que las del cemento Pórtland, sin embargo, la trabajabilidad se puede mejorar con adición de yeso. b. Silicato de Bicálcico (C2S): Es el segundo mineral siliceo por su importancia y contenido (10 a 30%) que está constituido el clinker, y que determina las características del comportamiento de las resistencias a la compresión. Presenta un tiempo de fraguado incierto, pues, el amasado fragua lentamente en un periodo de algunos días. A diferencia del silicato tricálcico, su desarrollo de resistencias es lento en las edades iniciales, pero aumenta con el tiempo hasta una resistencia igual al del C 3S, y por lo tanto, es menor su calor de hidratación, que llega hasta 105 J/g, a los 28 días. La adición de yeso no produce un cambio notable. En el intervalo entre la temperatura normal y 1500 °C existen cinco formas cristalinas del C2S. Comercialmente se le denomina belita y en el clinker representa una solución sólida del silicato bibaltico β (C2S – β ) y de una cantidad pequeña (1 a 3%) de Al2O3, Fe2O3. MgO, Cr2O3 y otros. Cuando el clinker caliente que salió del horno se enfría paulatinamente, a una temperatura por debajo de 525 °C, el C 2S – β puede transformarse en C2S – r, con la particularidad de que esta transición va acompañada del aumento de la distancia de base, es decir la estructura molecular de la belita se vuelve más mullida. En efecto, la densidad del C2S – β es igual a 3.28 g cm3, mientras que la el C2S – r es de 2.97 g/cm3, por eso, la transición poliforme provoca un incremento del volumen absoluto de la belita aproximadamente en el 10%; como resultado, los granos del clinker se desmoronan en polvo. Podía parecer que la dispersión espontánea facilitaría la trituración del clinker, pero, por desgracia, el polvo del C2S – r a temperaturas de hasta 100 °C prácticamente no reacciona con el agua, es decir, no posee propiedades aglomerantes. Por consiguiente, 82




es necesario impedir que la belita pase a forma r. A la estabilización de la fase el C 2S – β favorecen algunas impurezas: Al2O3, Fe2O3, MgO, Cr2O3 y otras, que se introducen en la red cristalina en una cantidad de 1 a 3%. En calidad de un “temple” originadle la belita sirve un enfriamiento bastante rápido del clinker en dispositivos de refrigeración que se sitúan a la salida del clinker del horno. Regulando la velocidad de enfriamiento del clinker, se obtiene belita en forma de unos cristales compactos redondos con un tamaño de 0.02 a 0.05 mm. La suma entre el silicato tricálcico y el bicálcico es de alrededor de 70 a 75% del total de la composición del clinker, por eso la hidratación de la alita y belita, por lo común, define las propiedades técnicas del cemento Pórtland. El 25% restante viene constituido por la sustancia intermedia que llena el espacio entre los cristales de alita y belita. La sustancia intermedia está constituida por cristales de aluminato tricálcico (C 3A), ferro-aluminato tetracálcico (C4AF), vidrio y minerales secundarios (12CaO.7Al2O3 y otros ). Su contenido puede variar entre 4 y 12% y en condiciones favorables de cocción se obtiene en forma de cristales cúbicos con dimensiones de hasta 0.01 a 0.015 mm, forma soluciones sólidas de composición compleja. La densidad del C 3A es igual a 3.04 g/cm3; se hidrata y fragua con gran rapidez, casi instantáneo en el amasado con agua acompañado de desarrollo de calor de hidratación muy elevado, llegando hasta 1380 J/g, a los 28 días. Presenta buena plasticidad y trabajabilidad con un amasado continuo; bajo el agua se desintegra y desmorona. Se obtiene un tiempo de fraguado normal al añadir yeso y puede dar lugar a la formación de un compuesto expansivo denominado Etringita, dañino para el concreto (corrosión sulfoaluminatica ). En ausencia de yeso, la reacción del C 3A con el agua es muy violenta y conduce al endurecimiento inmediato de las pastas. Su efecto en relaciona las resistencias a comprensión es a aumentarla a la edad inicial de 24 horas (pequeña resistencia mecánica), sin desarrollar más resistencia posteriormente. Ferro Aluminato tetracálcico ( C4AF ): Su presencia es de menor importancia en comparación a la de los anteriores compuestos mencionados, constituye en el clinker una cantidad de 4 a 15%. El C4AF es la sustancia intermedia del clinker representa una solución sólida de ferroaluminatos cálcicos de diferentes composición. Sus densidades de 3.77 g/cm 3. Presenta incierta contribución a las resistencias mecánicas; se hidrata rápidamente, por lo que presenta un fraguado en pocos minutos, no tanto como el C 3A; el fraguado es acompañado de desarrollo de calor de hidratación, llegando a 495 J/g a los 28 días.

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8. CÁLCULO DE LA COMPOSICIÓN POTENCIAL DEL CLINKER R. H. Bogue desarrolló un proceso de cálculo según el cual, a partir del análisis químico, se puede calcular el contenido en minerales, ante todo el C 3S, C2S, C3A y C4AF. El método de cálculo de Bogue está muy extendido, a causa del cuadro claro que ofrece de la composición del clinker y de las posibles predicciones a cerca acerca de las propiedades del cemento. En la derivación de las ecuaciones se asume lo siguiente:    

No hay vidrios presentes (material no cristalino). Todo el SO3 se combina como CaSO4. Todo el Fe2O3 y Al2O3 se combina como C4AF y C3A. Todo el CaO (Excepto la cal libre y el que se combinó como CaSO 4, y C3A), se combina con el SiO2 para formar una mezcla de C2S y C3S. De todo esto, el Potencial de Calculo d Bogue, se resumen en la siguiente formula: 𝐶3 𝑆

𝐶𝑎𝑂

𝑆𝑖𝑂

𝐶 𝑆

𝑆𝑖𝑂 𝐶3 𝐴 𝐶4 𝐴𝐹

84


𝐴𝑙 𝑂3

𝐹𝑒 𝑂3

𝐴𝑙 𝑂3

𝐶𝑎𝑂

𝐹𝑒 𝑂3

𝐴𝑙 𝑂3

𝐹𝑒 𝑂3 𝐹𝑒 𝑂3



La fórmula anterior, puede sufrir modificaciones según sea los siguientes casos: a. Cuando la relación de porcentajes entre óxidos de aluminio a óxido de férrico es 0.64 o más, los porcentajes de C3S, C2S, C3A y C4AF, deben calcularse a partir de los análisis químicos como se indica a continuación: 𝐶3 𝑆

𝐶𝑎𝑂

𝑆𝑖𝑂

𝐴𝑙 𝑂3

𝐶 𝑆 𝐶3 𝐴

𝐹𝑒 𝑂3

𝑆𝑖𝑂

𝐶3 𝑆

𝐴𝑙 𝑂3

𝐹𝑒 𝑂3

𝐶4 𝐴𝐹

𝑆𝑂3

𝐹𝑒 𝑂3

b. Cuando la relación de óxido de aluminio/fierro es menor que 0.664 se forma una solución sólida de ferro-aluminato cálcico, expresado como ss(C4AF+ C2F). El aluminato tricálcico no estará presente en los cementos con esta composición. El silicato dicálcico será calculado como se señala en la formula anterior. Los contenidos de esta solución sólida y del silicato tricálcico se debe calcular mediante las siguientes formulas: 𝐶3 𝑆

𝐶𝑎𝑂

𝑆𝑖𝑂 𝐶 𝑆

𝑠𝑠 𝐶4 𝐴𝐹

𝐴𝑙 𝑂3 𝑆𝑖𝑂

𝐶 𝐹

𝐹𝑒 𝑂3

𝑆𝑂3

𝐶3 𝑆 𝐴𝑙 𝑂3

𝐹𝑒 𝑂3

Problemas 1. El análisis químico de un cemento es el siguiente:

Interpretar dicho análisis 2. Para la construcción de una presa llega a obra una partida de cemento artificial cuyo análisis químico es el siguiente: Se pide: - Interpretar el análisis - Indicar si este cemento es apropiado para construir una presa. 3. El análisis químico siguiente de un cemento Pórtland :

Se desea saber: ¿Cuál es el índice de saturación en cal?, es utilizable en presas

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4. El análisis químico de un clinker de cemento portland es el siguiente: SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO OTROS RI ppc 22,3 4,6 3,1 66,4 2,5 0,6 0,3 0,2 Calcular la composición potencial del clinker y estudiar sus características 5. El análisis químico del clinker de un cemento portland es el siguiente: SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO OTROS RI 21,7 X Y 65,6 0,8 0,3 0,0  Calcular X e Y sabiendo que en el clinker sólo existe el C4AF como fundente.  Calcular también la composición potencial del clinker y estudiarlo.

ppc 0,0

6. El análisis químico del clinker de un cemento portland es el siguiente: SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO OTROS RI ppc 21,3 X Y 67,7 1,3 0,6 0,2 0,2  Calcular X e Y sabiendo que en el clinker sólo existen el C 4AF y un 12,2% de C3A como fundentes.  Calcular también la composición potencial del clinker y estudiarlo. 7. Analizando un clinker de un cemento portland, se obtuvo el siguiente resultado: SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO OTROS RI ppc 21,0 X Y 64,9 1,1 0,5 0,4 0,2  Calcular X e Y sabiendo que en el clinker sólo existen el C 4AF y un 11,6% de C2F como fundentes.  Calcular también la composición potencial del clinker y estudiarlo. 8. Una empresa de fabricación de cemento dispones de tres materias primas (Caliza, marga y arena), cuya composición química es la siguiente: Determinar en qué proporción han de mezclarse para obtener un crudo que dé un clinker con la siguiente composición química: 9. Determinar si es posible obtener un clinker de composición:

a partir sólo de caliza y marga de la siguiente composición:

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(*) Materias primas calcinadas y sin resto 10. Una empresa de cementos dispone de tres materias primas caliza, arcilla y arena, ya calcinadas, cuya composición química es la siguiente:

Las pérdidas a la calcinación de la caliza y de la arcilla son 40.1 % y 7.5 % respectivamente. La de la arena se supone despreciable. Se pide: a) Calcular la proporción en la que se han de mezclar para obtener un clinker con una composición potencial en la que el 50 % sea C3S y el 25 % C2S. b) Calcular la composición química de la mezcla, así como la composición química y potencial del clinker. c) Calcular los valores del módulo de silicatos y de alúmina. d) ¿Con dicho clinker se podrá fabricar un cemento resistente a los sulfatos? 11. Se dispone de cuatro materias primas cuyos análisis químicos son los siguientes:

Se desea saber en qué proporción deben mezclarse para obtener un clinker cuyo módulo hidráulico sea igual a 2.2, módulo de silicatos igual a 1.9 y que no contenga C 3A ni C2F. PROBLEMAS TEÓRICOS A) B) C) D) E) F) G)

Definir clinker. Diferencias entre producto corrector y producto auxiliar en el crudo de Portland. Definir estándar de cal o grado de saturación de cal. ¿Qué objetivos persigue?. Qué entendemos por silicatos del clinker de portland?. ¿Cuáles son?. ¿Qué entendemos por fundentes del clinker de portland?. ¿Cuáles son? Enunciar las características del silicato bicálcico. ¿Qué es la cal libre del clinker de portland?. ¿Cuántos tipos de cal libre existen?.

H) ¿Qué entendemos como residuo insoluble del clinker de portland? ¿A qué es debido su presencia?. I) ¿Qué es el fraguado del cemento portland?. ¿Qué propiedades tiene la reacción de fraguado?. 87




J) ¿Qué compuesto se utiliza como regulador de fraguado en el cemento portland?. ¿Cómo actúa?. K) Estudiar la aportación de cada componente mineralógico del clinker a las resistencias mecánicas finales del cemento Portland fraguado. L) ¿Qué inconvenientes presenta el uso del cemento portland?. M) RESPONDA SI ES VERDAD O FALSO  El crudo es una mezcla adecuada de rocas calizas y arcillosas.  En el crudo además de las calizas y arcillas, no intervienen otros componentes.  El crudo de cemento Portland se obtiene a altas temperaturas, próximas a la sinterización.  En la cocción del crudo no se llega a fusión parcial de los componentes.  Las calizas amorfas ricas en carbonato cálcico aportan pocas impurezas al clinker de cemento portland.  Los productos arcillosos aportan al clinker los óxidos de carácter ácido.   Los productos auxiliares corrigen las deficiencias de las materias primas.  Las margas pueden sustituir a las rocas calizas y a las arcillas en el crudo de cemento Portland.  La bauxita es un producto corrector de sílice en el crudo de cemento Portland.  El (MgO) es el óxido de carácter básico principal en el crudo de cemento portland.  (SiO2), (Al2O3) y (Fe2O3), son los óxidos de carácter ácido principales en el crudo de cemento portland.  El módulo silícico caracteriza la composición de la fase fundida.  El módulo de fundentes caracteriza la composición de la fase fundida.  El estándar de cal fija el contenido óptimo de cal para formar los componentes hidráulicos sin que quede cal libre.  El (C3S) sólo existe en los cementos derivados del clinker de Portland.  El óxido de calcio es un componente principal del clinker de Portland.   El (C2S) existe en la cal hidráulica y en el clinker de Portland.  El (C2F) y el (C3A) pueden coexistir en el clinker de Portland.  El (C3S) es el responsable de las resistencias del cemento a corto plazo.  El (C3S) es más estable químicamente que el (C2S).   El (C3A) es el componente más energético del clinker de cemento portland.  El (C3A) presenta una buena estabilidad química a los sulfatos y al agua de mar.

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El (C2F) aparece en el clinker de portland cuando el módulo de fundentes es menor a (0,638). El óxido de magnesio del clinker puede producir expansiones diferenciadas en los cementos fraguados. El óxido de cal libre es un componente principal del clinker de portland. La pérdida al fuego del clinker de cemento portland se considera una medida de su meteorización. Residuos insolubles en ácido clorhídrico, trióxido de azufre y álcalis son compuestos secundarios que impurifican el clinker. El (C2S) desarrolla las resistencias mecánicas iniciales. El (C3A) y el (C4AF) no contribuyen a las resistencias mecánicas finales del cemento portland. El (C2S) contribuye muchísimo más que el (C3S) a las resistencias mecánicas totales del cemento Portland. Un cemento con un alto contenido en (C3S) alcanza las resistencias mecánicas a edades muy tempranas. El (C2F) es el causante de las resistencias mecánicas iniciales. El silicato tricálcico es el componente más energético del clinker de cemento Portland El silicato bicálcico es más energético que el silicato tricálcico. El silicato tricálcico es el componente de los silicatos del clinker más energético. El aluminato tricálcico es el componente más energético del clinker de portland. El ferrito aluminato tetracálcico es el componente más energético de los fundentes del clinker de cemento portland. El regulador de fraguado acelera la hidratación del (C3A). El regulador de fraguado aumenta la velocidad de fraguado del clinker El regulador de fraguado que utiliza la industria es yeso natural. La rápida hidratación del (C3S) obliga a la utilización de un regulador de fraguado. La existencia de una gran concentración de (C2S) puede evitar la utilización de regulador de fraguado en el cemento portland.



CAPITULO IX AGUA PARA CONCRETO Y MORTERO Resulta obvio decir que sin agua no se puede elaborar hormigón o morteros, más aún, no puede elaborarse una pasta de cemento. Así, el agua cobra importancia en la fabricación del hormigón como: agua de mezclado, agua de curado y agua de lavado. Han de tenerse en cuenta también, los efectos que pueda producir como agua de contacto. Si bien el agua es el componente de más bajo costo para la elaboración del hormigón, es un elemento tan importante como el cemento, ya que la variación de su contenido en una mezcla, permite realizar la dosificación del hormigón variando su resistencia, consistencia y permeabilidad. Además, cuando se desconoce la calidad del agua utilizada, su procedencia y composición química, se corre un gran riesgo, porque aunque la relación “a c” sea la deseada, no se sabe si en el interior del hormigón el agua provocará un beneficio o un inconveniente. Las impurezas del agua pueden presentarse disueltas o en forma de suspensión y pueden ser: carbonatos o bicarbonatos, cloruros, sulfatos, sales de hierro, sales inorgánicas, ácidos, materia orgánica, aceites, o sedimentos y pueden interferir en la hidratación del cemento, producir modificaciones del tiempo de fraguado, reducir la resistencia mecánica, causar manchas en la superficie del hormigón y aumentar el riesgo de corrosión de las armaduras. En general, se establece que si el agua es potable, es adecuada para agua de mezclado, y una gran parte de los hormigones se elaboran con agua potable. Sin embargo, muchas aguas no aptas para beber son satisfactorias para el mezclado. En todo caso, las especificaciones establecen las cantidades máximas de impurezas que pueden ser aceptadas, dependiendo del tipo de hormigón a elaborar. Cuando existen dudas acerca de la calidad del agua de mezclado, se deben extraer muestras para someterlas a ensayos de laboratorio. El agua para lavado de los agregados o el equipo, no debe tener cantidades tales de impurezas como para producir daños en la superficie del hormigón, en la superficie de las partículas de agregado o en la mezcla de hormigón. Finalmente, como agua de contacto, cuando contiene sustancias agresivas sus efectos son más decisivos, pudiéndose llegar a la destrucción del hormigón si no se toman las precauciones convenientes. El agua de mar adquiere importancia especialmente en obras realizadas en las zonas costeras y en toda obra civil portuaria. 1. AGUA DE MEZCLADO: El agua de mezclado, está compuesta por el agua agregada al elaborar un pastón más la proveniente de la humedad superficial de los agregados, siendo sus principales funciones:  Reaccionar con el cemento, produciendo su hidratación.  Actuar como un lubricante, contribuyendo a la trabajabilidad de la mezcla fresca. 89




 Asegurar el espacio necesario en la pasta, para el desarrollo de los productos de hidratación. Límites permisibles para el agua de mezcla y curado según la norma NTP 339.088

Una regla simple concerniente a la aceptabilidad del agua de mezclado, es que sea potable. En otras palabras, si el agua no tiene algún gusto, olor o color particular, y no es gaseosa o espumosa cuando se agita, no hay razón para asumir que podrá dañar al hormigón cuando se use como agua de mezclado. Por otra parte, muchas aguas inaceptables para beber, son satisfactorias para fabricar hormigones y permiten alcanzar la resistencia exigida en el proyecto sin influir desfavorablemente en el proceso de endurecimiento y fraguado. Las aguas que pueden considerarse perjudiciales, son aquellas que contienen excesivas cantidades de azúcar, ácidos, materia orgánica, aceites, sulfatos, sales alcalinas, efluentes de cloacas, sólidos suspendidos y gases. Algunas de estas impurezas son naturales, otras están en el agua de mar o aguas provenientes de actividades industriales. En general, el agua no debe contener sustancias que puedan producir efectos desfavorables sobre el hormigón o sobre las armaduras. A continuación se resumen los efectos de ciertas impurezas del agua de mezclado sobre la calidad del hormigón: a. Carbonato alcalino y bicarbonato: Los carbonatos y los bicarbonatos de sodio y potasio tienen diferentes efectos sobre el tiempo de fraguado de diferentes cementos. El carbonato de sodio puede causar fraguado rápido, el bicarbonato puede tanto acelerar como retardar el fraguado. Estas sales, cuando se encuentran en grandes concentraciones, pueden reducir la resistencia del hormigón. Cuando la suma de las sales disueltas excede 1000 ppm, se hacen necesarios ensayos para el estudio de su influencia sobre la resistencia y el tiempo de fraguado. También se debe considerar la posibilidad de la ocurrencia de reacciones álcaliagregado. b. Cloruros: El efecto adverso de los iones cloruro sobre la corrosión de la armadura (refuerzo) es la principal razón de preocupación a respecto del contenido de cloruros en el agua usada para la preparación del hormigón. Los iones cloruro atacan la capa de óxido protectora que se forma sobre el acero resultante de la alta alcalinidad (pH mayor que 12.5) presente en el hormigón. El nivel de iones cloruros solubles en ácido, en el cual la corrosión empieza en el hormigón, es aproximadamente del 0.2 a 0.4 % en peso de cemento (0.15 % al 0.3 % soluble en agua).

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c. Sulfatos: La preocupación respecto del alto contenido de sulfatos en el agua usada para la preparación del hormigón se debe a las reacciones expansivas potenciales y al deterioro por el ataque de sulfatos, principalmente en áreas donde el hormigón será expuesto a suelos o aguas con alto contenido de sulfatos. d. Sales de hierro: Las aguas subterráneas naturales raramente contienen más de 20 a 30 ppm de hierro, sin embargo las aguas ácidas de mina pueden contener grandes cantidades de hierro. Las sales de hierro en concentraciones de hasta 40 000 ppm normalmente no afectan la resistencia del hormigón, pero si su aspecto estético. e. Diversas sales inorgánicas: Las sales de manganeso, estaño, cinc, cobre y plomo en el agua de mezclado pueden causar una significante reducción de la resistencia y grandes variaciones del tiempo de fraguado. De éstas, las sales de cinc, cobre y plomo son las más activas. Las sales yodato de sodio, fosfato de sodio, arseniato de sodio y borato de sodio son especialmente activas como retardadores. Todas ellas pueden retardar muchísimo tanto el tiempo de fraguado como también el desarrollo de la resistencia, siempre que estén en bajas concentraciones respecto del contenido de cemento. El sulfuro de sodio es otra sal que puede ser perjudicial al hormigón. f.

Impurezas orgánicas: El efecto de substancias orgánicas sobre el tiempo de fraguado del cemento portland y sobre la resistencia última del hormigón es un problema muy complejo. Tales sustancias se pueden encontrar en aguas naturales. Las aguas muy coloridas, con un olor apreciable o con algas verdes o marrones visibles se deben considerar sospechosas y, por lo tanto, hay que analizarlas. Las algas también pueden estar presentes en los agregados, reduciendo la adherencia entre el agregado y la pasta. Se recomienda 1000 ppm como contenido máximo de algas.

g. Azúcar: Un pequeña cantidad de sacarosa, del 0.03 a 0.15 % en peso de cemento, normalmente es suficiente para retardar el fraguado del cemento. El límite superior de este rango varía de acuerdo con los diferentes cementos. La resistencia a los 7 días se puede reducir mientras que la resistencia a los 28 días se puede aumentar. El azúcar en cantidades iguales o superiores a 0.25 % en peso de cemento puede causar fraguado rápido y gran reducción de la resistencia a los 28 días. Cada tipo de azúcar influye en el tiempo de fraguado y en la resistencia de manera diferente. El azúcar en el agua de mezcla en concentraciones inferiores a 500 ppm, normalmente no presenta efecto nocivo sobre la resistencia, pero si la concentración supera este valor, se deben hacer ensayos de tiempo de fraguado y resistencia. Sedimentos o partículas en suspensión Se pueden tolerar aproximadamente 2000 ppm de arcilla en suspensión o partículas finas de rocas en el agua de mezclado. Cantidades más elevadas, posiblemente, no afecten la resistencia pero pueden influenciar otras propiedades de algunos hormigones tales como la contracción por secado, tiempos de fraguado, durabilidad o aparición de eflorescencia. Antes de utilizarse un agua embarrada o lodosa, se la debe pasar a través de estanques de sedimentación o se la debe clarificar por cualquier otro medio para la disminución de la cantidad de sedimentos o arcillas introducidos en la mezcla a

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través del agua de mezcla. Estos sedimentos podrían tolerarse en cantidades superiores cuando los finos del cemento se retornan al hormigón por el uso de agua de lavado reciclada.

h. Aceites: Muchos tipos de aceites están ocasionalmente presentes en el agua. El aceite mineral (petróleo) sin mezcla de aceites vegetales o animales tiene, probablemente, menos efecto sobre el desarrollo de la resistencia que otros aceites. Sin embargo, el aceite mineral en concentraciones superiores al 2.5% en peso de cemento puede reducir la resistencia en más del 20 %. i.

Agua del mar: El agua del mar, con una concentración de sales disueltas de hasta 35 000 ppm, normalmente es adecuada para el uso como agua de mezclado del hormigón que no contenga armaduras de acero. Aproximadamente 78% de la sal es cloruro de sodio y 15 % es cloruro y sulfato de magnesio. Aunque la resistencia temprana del hormigón preparado con agua de mar pueda ser más elevada que la resistencia del hormigón normal, la resistencia a edades mayores (después de 28 días) puede resultar menor. Esta reducción de la resistencia se puede compensar con la reducción de la relación agua/cemento. El agua de mar no es apropiada para la preparación de hormigón reforzado con acero y no se debe usar en hormigón pretensado, debido al riesgo de corrosión de la armadura, principalmente en ambientes cálidos y húmedos. El sodio y el potasio de las sales presentes en el agua de mar, usada en la preparación del hormigón, pueden agravar la reactividad álcali-agregado. Por lo tanto, no se debe usar agua de mar en la mezcla del hormigón donde estén presentes agregados potencialmente reactivos. #284959

j.

Aguas ácidas: La aceptación de aguas ácidas en la mezcla del hormigón se debe basar en la concentración de los ácidos en el agua. Ocasionalmente, la aceptación se basa en el pH, que es una medida de la concentración de los iones hidrógenos en una escala logarítmica. El valor de pH es un índice de intensidad y no es la mejor medida de la reactividad potencial de un ácido o de una base. El pH del agua neutra es 7.0; valores inferiores a 7.0 indican acidez y valores superiores a 7.0 indican alcalinidad. Normalmente el agua de mezclado que contiene ácido clorhídrico, ácido sulfúrico y otros ácidos inorgánicos comunes en concentraciones de hasta 10000 ppm no tiene efecto perjudicial sobre la resistencia. Las aguas ácidas con pH menor que 3.0 pueden crear problemas de manejo y, si posible, se deben evitar. Los ácidos orgánicos, tal como el ácido tánico, en altas concentraciones pueden tener un fuerte efecto sobre la resistencia.

k. Aguas alcalinas: Las aguas con concentraciones de hidróxido de sodio superiores al 0.5 % en peso de cemento pueden reducir la resistencia del hormigón. El hidróxido de calcio en concentraciones de hasta 1.2 % en peso de cemento tiene poco efecto sobre la resistencia del hormigón con algunos tipos de cemento, pero esto debe ser evaluado en cada caso. Se debe considerar la posibilidad del aumento de la reactividad álcali-agregado.

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l.


Aguas de desechos industriales: La mayoría de las aguas que cargan desechos industriales tienen menos de 4000 ppm de sólidos totales. Cuando se usa este tipo de agua para preparar el hormigón, la reducción de la resistencia a compresión no supera el 10 a 15 %. Las aguas de desechos industriales tales como curtiembres, fábricas de pintura, plantas de coque, plantas químicas y de galvanización pueden contener impurezas peligrosas. Lo mejor es verificar cualquier agua de desecho que contenga unos pocos cientos de partes por millón de sólidos poco comunes.

m. Aguas sanitarias residuales (aguas negras): Un agua residual típica puede contener aproximadamente 400 ppm de materia orgánica. Después que el agua residual se diluye en un buen sistema de tratamiento, la concentración se reduce aproximadamente a 20 ppm o menos. Esta concentración es muy baja para afectar considerablemente la resistencia del hormigón. 2. AGUA DE CURADO: Los requerimientos para el agua de curado se establecen en la NTP, con las mismas exigencias aplicadas al agua de mezclado. El agua de curado no debe contener sustancias agresivas para el hormigón endurecido o las armaduras, ya que durante las primeras edades el hormigón es sumamente permeable. Se debe tomar en cuenta, consecuentemente, no emplear agua con elevados contenidos de cloruros en caso de estructuras armadas, evitar sustancias que puedan provocar decoloraciones o manchas superficiales y mantener reducida la diferencia de temperatura entre el agua de curado y el hormigón para evitar la aparición de fisuras. 3. AGUA DE LAVADO El agua para lavado de los agregados, no debe contener materiales, en cantidades tales que produzcan una película o revestimiento dañino sobre las partículas de agregados. Cuando se utiliza para el lavado de la hormigonera u otros equipos, el agua de lavado no debe contener impurezas en cantidades suficientes para producir el deterioro del equipo o de la mezcla. Para la reutilización del agua de lavado, se deberá asegurar el cumplimiento de los requisitos establecidos en la norma NTP y se evitará el agua utilizada para el lavado de equipos que hubieran contenido aditivos tales que pudiesen afectar las características del nuevo hormigón elaborado. En algunos países como EE.UU. se prohíbe la descarga en las vías fluviales de cualquier agua de enjuague o lavado no tratada, que se ha usado en el lavado de arena, grava o mezcladoras. El agua de enjuague de lavado se utiliza normalmente en el hormigón premezclado.

4. CONSIDERACIONES PARA EL USO DEL AGUA EN EL CONCRETO a. UTILIZACIÓN DE AGUAS NO POTABLES: Cuando el agua utilizada no cumple uno o varios de los requisitos ya conocidos, deberá realizarse ensayos comparativos empleando el agua en estudio y agua destilada o potable, con similares materiales y procedimientos. Estos ensayos 93




incluirán la determinación del tiempo de fraguado de las pastas y la resistencia a la compresión de morteros a edades de 7 y 28 días. La Norma NTP 339.084 considera que los tiempos de fraguado inicial y final de la pasta preparada con el agua en estudio podrán ser hasta 25% mayores o menores, respectivamente, que los correspondientes a las pastas que contienen el agua de referencia. Al exceder la concentración de sales los límites establecidos, se realizará ensayos de compresión a edades de 180 y 365 días. Las aguas no potables podrán utilizarse, si además de cumplir con los requisitos establecidos, cumple con:  Las impurezas no alteren las propiedades del concreto, ni del acero de refuerzo.  El agua debe de ser limpia y libre de cantidades nocivas de ácidos, aceites, etc.  Las proporciones de la mezcla se basará en resultados de ensayos de resistencia de concretos, que ha sido preparado con agua de la fuente elegida. b. AGUAS PROHIBIDAS  Aguas ácidas  Aguas calcáreas; minerales; carbonatadas; o naturales.  Aguas provenientes de minas o relaves.  Aguas que contengan residuos industriales  Aguas con contenido de NaCl > 3%; o SO4- > 1%.  Aguas que contengan algas; materia orgánica; humus; partículas de carbón; turba; azufre; o descargas desagües.  Aguas que contengan ácido húmico u otros ácidos orgánicos.  Aguas que contengan azúcares o sus derivados.  Aguas con porcentajes significativos de sales de sodio o potasio disueltos, en especial en todos aquellos casos en que es posible la reacción álcali –agregado. c. LIMITACIONES: Las sustancias dañinas que puedan aportar el agua de mezclado, deben sumarse a las que puedan estar presentes en los agregados y/o aditivos; a fin de evaluar el total de sustancias inconvenientes que puedan dañar el concreto, el acero o elementos metálicos embebidos. Las cantidades de ión cloruro en el agua, para preparar concretos que tengan elementos de aluminio o fierro galvanizado embebidos; no serán mayores del 0.6% en peso del cemento. El total de ión cloruro presentes en el agua, agregados y aditivos, no deberán exceder nunca los porcentajes, indicados a continuación: Limitaciones para el ión cloruro

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d. AGUA DE MAR: Al utilizar agua de mar en el concreto, deberá conocerse el contenido de sales solubles. El proyectista y el supervisor serán los que darán la autorización para usar agua de mar en el mezclado; esta deberá figurar en el Cuaderno de Obras. Su uso se prohíbe en los siguientes casos: Prohibiciones del agua de mar           

Concreto reforzado. Concretos cuya resistencia a la compresión a los 28 días sea mayor de 175kg/cm² Concretos con elementos de aluminio o fierro galvanizado embebidos. Concretos preparados con cementos de alto contenido de óxidos de alúmina. Concretos con acabado superficial de importancia. Concretos expuestos. Concretos masivos. Concretos colocados en climas cálidos. Concretos expuestos a la brisa marina. Concretos con agregados reactivos. Concretos en los que se utiliza cementos aluminosos.

Al usar el agua de mar como agua de mezclado, se debe recordar que:          e.

No hay evidencia de fallas de estructuras de concreto simple preparadas con agua de mar. El concreto preparado con agua de mar no produce variación en el asentamiento. Puede presentarse una aceleración en el fraguado y endurecimiento inicial de la mezcla. La resistencia de los morteros es mayor en los primeros días, en relación con los morteros preparados con agua potable. Disminuye la resistencia a la compresión a los 28 días aproximadamente en un 12%. Luego de 7 días la resistencia de los concretos tiende a disminuir. El agua de mar puede provocar corrosión en los elementos metálicos embebidos, por lo que su recubrimiento debe ser no menor de 70 mm. El concreto debe ser bien compactado, buscando la máxima densidad y la menor porosidad. Puede provocar eflorescencias. NORMAS DE ENSAYO PARA EL AGUA  NTP 339.070: Toma de muestras de agua para la preparación y curado de morteros y concretos de cemento Pórtland.  NTP 339.071: Ensayo para determinar el residuo sólido y el contenido de materia orgánica de las aguas.  NTP 339.072: Método de ensayo para determinar por oxidabilidad el contenido de materia orgánica de las aguas.  NTP 339.073: Método de ensayo para determinar el pH de las aguas.  NTP 339.074: Método de ensayo para determinar el contenido de sulfatos de las aguas.  NTP 339.075: Método de ensayo para determinar el contenido de hierro de las aguas.  NTP 339.076: Método de ensayo para determinar el contenido de cloruros de las aguas.

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CAPITULO X MORTEROS La mezcla de un aglomerante y agua se llama pasta, pero esta debe ofrecer consistencia, pues cuando el aglomerante muy difluido, la mezcla se llama lechada. Mortero es la mezcla de un aglomerante y agregado fino, realizada por vía húmeda. Cuando el mortero se prepara con más de un aglomerante, se denomina montero bastardo. La aplicación de la pasta sobre un superficie se llama empastado y tarrajeado o revoque, la de un mortero. El tarrajeado puede ser un primario o enfoscado, enlucido o tartajeo fino, etc. FASES

COMPONENTES

 PASTA

AGLOMERANTE AGUA ADITIVOS y ADICIONES ACTIVAS

 AGREGADO FINO

ARENA

 AIRE

Aire incorporado naturalmente Aire incorporado intencionalmente

MORTERO

1. Generalidades: El papel que desempeña la arena en los morteros es múltiplos,  En el caso de los morteros de cal, es simplemente mecánico, pues sirve para reparar los granos del aglomerante y evitar de ese modo las contracciones que se producen en el mortero como consecuencia de la evaporación del agua del amasado y a la que se absorbe en la hidratación del calcáreo.  Cuando se emplean aglomerantes hidráulicos, ya no se originan contracciones, y entonces la arena sirve para disminuir la dosis de aglomerantes  En todos los casos, los agregados desempeñan la función dar resistencia a las masas, o como se dice corrientemente, darles “cuerpo”. Teóricamente sólo se necesitaría la cantidad de los aglomerantes para cubrir con una película a los granos de arena, los cuales se pueden suponer tangentes entre sí; pero como además se desea obtener una masa compacta y casi siempre impermeable, se tendrá que llenar los vacíos con el aglomerante u otro material de precio más económico. Las dosificaciones se suelen expresar por la relación entre los volúmenes del aglomerante y de los agregados. Así la expresión (1:3), significa un volumen de aglomerante por tres de agregado fino. La dosificación del agua, depende en primer lugar de la clase de aglomerante, y después del estado atmosférico, de la plasticidad deseada, y de la aplicación que se va a dar al mortero. Como regla general conviene amasar el mortero con la mínima cantidad de agua, pues el exceso retrasa la fragua y deja poros en la masa al evaporarse. Como consecuencia de los vacíos que poseen tanto los aglomerantes como los agregados, el volumen resultante de las mezclas es inferior a la suma de los volúmenes de los componentes. Sí se conocen los pesos 96




específicos y densidades de los componentes de un mortero se puede determinar teóricamente el volumen resultante, de acuerdo con la dosificación; pero en la práctica se prefiere trabajar con datos experimentales. 2. MORTERO DE YESO: No es muy usado por que la pasta de yeso admite poca arena como consecuencia de la debilidad de aquel material en su fragua. Las proporciones máximas que pueden emplearse son de 1:2 á 1:3. Además, como el fraguado del yeso es rápido, no da tiempo a amasarlo. El amasado se hace vertiendo el yeso sobre sobre el agua dispuesta en una “batea”, mezclando rápidamente y procurando que no se formen burbujas se prepara a medida que se necesita, pues el yeso empieza a fraguar a los tres o cuatro minutos y termina los quince o veinte. La pasta fraguada o endurecida no puede empleársele agregándole más agua, y debe ser desechada. A este yeso los albañiles le llaman “frid”. Los morteros de yeso adquieren en un día la mitad de la resistencia que pueden tener en un mes, que se considera como el tiempo en el cual han llegado prácticamente el límite de su resistencia. La lechada de yeso, sólo sirve para blanqueos, debido a su poca resistencia. 3. MORTERO DE CAL: Los morteros de cal son aquellos morteros que están fabricados con óxido de calcio (cal), arena y agua. La cal puede ser aérea o hidráulica, diferenciándose porque la hidráulica tiene un pequeño porcentaje de silicatos, lo que la hace más recomendable para su uso en ambientes húmedos. Generalmente son utilizados para unir piedras y ladrillos mejor que el cemento por sus propiedades. Las proporciones empleadas, en volumen, varían del 1 parte de pasta de cal 2 a 4 de arena; siendo las más usadas de 1:3 y 1:3-1/2. Mortero de Cal y Arena

a. Preparación: Sobre una capa de pasta, de espesor uniforme, se echa también en la capas de igual espesor, la arena. Y se revuelve todo hasta que el conjunto presente color uniforme; si es necesario se agrega más agua. b. Características: La fragua del mortero se realiza lentamente, sobre todo si se lo ha empleado en capas gruesas, se ha observado que en ocasiones se han necesitado años para el endurecimiento total, o sea para la completa transformación de la cal hidratada en carbonato de calcio. En estos morteros, el exceso de pasta la fragua, aumenta la contratación, y las grietas consiguientes. De otro lado, el exceso de arena hace más acelerada la fragua y proporciona un mortero difícil de trabajar con las herramientas de albañil. Las mejores arena para los morteros de cal, son las de gramo fino, anguloso y limpias. 97




c. Resistencia: Dependen principalmente de las cualidades de la cal y de la arena influyendo también el cuidado con que ha sido preparado el mortero. El exceso de cal disminuye la resistencia del mortero a la comprensión. Son causas, además de disminución de esta resistencia:  Un exceso de arena.  La arcilla, limo y materiales similares.  Los aceites, ácidos, álcalis y material v tal que pudiera contener el agua. Las siguientes cifras aproximadas, se aceptan, para la resistencia del mortero de cal, proporción 1:3. Resistencia a la tensión Kg. /cm2 Resistencia a la comprensión kg. /cm2

1mes 2.0 a 4.00 10.0 a 28.00

6meses 3.0 a 5.0 12.0 a 35.0

d. Formas de suministro  Cal en piedra: Debe ser apagada y se utiliza la pasta resultante. Según su destino tiene un periodo de asentamiento en el pozo para completar su proceso de hidratación: 7 días para muros, 30 días para revoques (estos plazos son variables según las distintas publicaciones y memorias pero el concepto de no utilizarla inmediatamente al apagado es lo importante)  Cal en polvo: Es una cal aérea hidratada. Debe comprobarse la homogeneidad de las partículas, sin presencia de gránulos de mayor tamaño, ya que estos al completar la hidratación y al ser su tamaño mayor provoca en revoques y muros procesos de disgregación en las terminaciones. Para evitar en parte esto la mezcla debe utilizarse con al menos siete días de asentamiento de las mezclas.  Cal en pasta: Cal grasa hasta un 5% de óxido magnésico mayor cal árida o magra.  Cal hidráulica: Es igualmente un material pulverulento e hidratado que al provenir de la calcinación de piedras calizas que contienen sílice y alúmina, para formar el óxido cálcico produce silicatos y aluminatos de calcio deshidratados que le proporcionan sus propiedades hidráulicas y una mayor resistencia.

4. MORTERO DE CEMENTO PORTLAND: El mortero de cemento es un material de construcción obtenido al mezclar arena y agua con cemento, que actúa como conglomerante. La dosificación de la arena y el cemento en este mortero, se puede hacer por los métodos siguientes:  Por peso  Por volúmenes conocidos de los envases de cementos (barriles o sacos) y volúmenes medidos de arena.  Por volúmenes medidos de cemento y arena. El mejor sistema de dosificación es el primero de los señalados, y es que se emplea, de preferencia en los laboratorios. 98




La objeción que se le hace es que la humedad de la arena puede falsear la dosificación teórica, pero como esta húmeda no pasa nunca del 5% en peso, este es el error que se puede cometer. No se emplea en las obras porque no es suficiente práctico. El segundo método es el más usado en los trabajos y casi universal. Para emplearlo se aprovecha del volumen conocido de los barriles o sacos de cemento. La arena da distintos de llenar las cajas medidoras pudiéndose obtener variaciones hasta el 25% en volumen es por consiguiente importante que las cajas medidoras de arena se llenen siempre de la misma manera. La dosificación más usada en trabajos de albañilería es de 1:2 a 1:6 morteros más ricos se usan solo en endurecidos y en pocas ocasiones morteros más pobres no se usan sino raras veces. a. Mezclado: La arena y el cemento se pueden mezclar a mano, por medio de lampas, o usando maquinas llamadas mezcladoras, concretas u orgánicas conviene mezclar primero el cemento y la arena y agregar, después, el agua, la mezcla debe continuarse hasta que el conjunto ofrezca un color uniforme. El mortero deberá usarse antes de que se haya iniciado el fraguado, no deberá emplearse mortero cuya fragua inicial haya terminado. b. Características: La resistencia del mortero depende:  De la proporción de cemento empleado.  Del tamaño de los granos de arena y de su graduación.  De la cantidad de agua usada.  Del grado de compacidad obtenido en la manipulación. En términos generales se puede decir que la resistencia del mortero depende, 1 de la calidad cemento por unidad de volumen, y 2 de su densidad. En cuanto a la influencia de la arena, se pueden puntualizar lo siguiente.  Cuando la arena está debidamente graduada, es decir cuando sus granos son de diferentes dimensiones. Ofrece el menor volumen de vacíos y proporcionara el mortero más denso, condición que se obtiene con la presencia de una cantidad de granos gruesos en la arena.  Con el mínimo porcentaje de vacíos se producirá un mortero más resistente empleando arena de granos de superficie angulosa y granos gruesos, que si la arena fuera de granos redondeados y finos.  Por ultimo de las arenas, que tienen el mismo porcentaje de vacíos proporcionara mortero en cuanto a densidad y resistencia la arena gruesa porque para un determinado volumen de mezcla, se tendrá menos vacíos. El agua produce la siguiente acción: El exceso de agua ejerce las siguientes influencias:  Aumenta el tiempo de fragua.  Disminuye la resistencia, teniendo mayor influencia en los ensayos a corto plazo que en los de largo plazo. 99



     


Aumenta la cantidad de lechada en la superficie libre del mortero, Aumenta la dificultad de trabazón entre un mortero viejo y nuevo. Tiende a producir la separación de la arena del cemento. Acortamiento en el tiempo de fragua; Incremento de la porosidad, y por consiguiente decrecimiento de la impermeabilidad. Decrecimiento de la resistencia.

c. Resistencia a la tensión: En condiciones normales esta resistencia aumenta muy rápidamente durante los primeros días, pero la proporción de incremento disminuye también con rapidez. A los 7 días, la resistencia es casi la mitad o las dos terceras partes de la resistencia máxima, que se produce a los tres meses. En los laboratorios esta resistencia se ensaya por maquinas especiales que se definen como balanzas de dos palancas. Las pruebas se hacen con briquetas o probetas en forma de ocho, y de dimensiones reglamentarias, para los ensayos, según las normas norte americana, las probetas en su parte más delgada tiene una sección transversal de 1 x 1. A continuación se dan los índices exigidos para morteros 1:3 con arena de Ottawa tanto en los Standard norteamericanos, como los obtenidos con el cemento “sol” debiéndose advertir que las resistencias indicadas corresponden esfuerzos de rotura. Conviene también decir que en los tiempos dados se considera que el primer día, las probetas se conservarán en aire húmedo y los restantes sumergidos o agua potable para las horas corrientes y en agua de mar, para los trabajos marítimos Resistencia a la tensión en 7 días Resistencia a la tensión en 28 días

Estándar 14 kg/ cm 2 21 kg/ cm 2

Cemento ”Sol” 19 kg. / cm 2 26 kg/ cm 2

d. Resistencia a la Comprensión: Un mortero que sea bastante resistencia a la tensión, también lo es a la comprensión, pero la relación entre una y otra resistencia no es constante para todos los morteros. Las mezclas más usadas para sentar ladrillos son:  Para muros resistentes o sean portantes de carga 1:5  Para muros de rrellenos o para cercos 1:6 En cuanto a los acabados con morteros de cemento –arena tienen generalmente los siguientes espesores, los mismos que se usan en la preparación de presupuesto: Tarrajeos:  Sobre muros de bloqueos  Sobre muro ladrillos corrientes

10mm 15mm

Enlucidos: Sobre tarrajeos 100


5 mm.



5. MORTEROS BASTARDOS: Cuando en el mortero se usa más de un aglomerante, aquel recibe el nombre de mortero bastardo, denominación originada por que la adicción del segundo aglomerante casi siempre tiene por objeto economizar el titular, que es más costoso o brindarle otras propiedades físicas. a. Morteros bastardos con yeso: Se obtienen mezclando el yeso con cal y arena. Se emplean solo en empastados enlucidos y tarrajeos. Un empastado que, de acuerdo con las definiciones dadas, debe ser tildado de áspero, se obtiene usando las siguientes proporciones. Para paredes Para cielo-rasos

Yeso 1 2

cal 3 3

arena 1 1

En tarrajeos se emplean la siguiente proporción: Yeso (1), cal (3), los casos se usa arena fina.

arena(4-1/2). En todos

b. Morteros Bastardos de Cemento Pórtland: Contiene como aglomerante cemento y cal. La cal agregada en pequeñas proporción hace al mortero más denso y también más suave y trabajable con las herramientas de albañil. El mortero bastardo es más resistente que el normal de la cal sola y con respecto normal de cemento solo, es más débil pero como ya hemos, apuntado más plástico e impermeable. Las proporciones usadas varían entre una parte de cemento ½ a 2 partes de cal, y 5 a 6 partes de arena entre estas proporciones la experiencia muestra que las más resistente a la comprensión es la de 1:1:6, representando 6 el volumen de arena. En lima, para asentar ladrillos se han empleado con buenos resultados, las proporciones siguientes. En muros no sobrecargados En muros con sobre carga

1:1:6 (cal-cemento-arena) 1/5:1:3 (cal-cemento-arena)

Mencionaremos, para que se pueda establecer comparación que la proporción más popular en lima para el uso indicado en mortero de cemento y arena, es la 1:5. Estas recomendaciones se refieren a la cal corriente de obra, pero actualmente se encuentra en el mercado de lima cal hidráulica que para usarse no necesita “podrirse”, remojarse o hidratarse se vende en cascos de 2 pies cúbicos o de un peso de 30 kg. Esto producto se recomienda empleando. En la siguientes proporciones en volúmenes (cemento, cal, arena) Para argamasa o “mezcla” para asentar ladrillos o piedras:  1:1:10 con 3.7 volúmenes de agua, se obtiene en total 10.5 volúmenes.  1:2:2 con 4 volúmenes de agua, se obtiene en total 12.9 volúmenes. Para enlucidos:  1:2::15 con 5.5 volúmenes de agua se obtienen en total 15.75 volúmenes 101




TABLA DE MORTEROS TABLA I

Clase

MORTEROS DE CAL GRASA Dosificación en Cal apagada en volúmenes pasta Cal arena m3 1:1 0,555 1:2 0,400 1:3 0,315 1:4 0,260 1:5 0.220

De 335 Kg De 240 Kg De 190 Kg De 160 Kg De 135 Kg NOTA: Horas de peón para todos = 3,5 – pérdida en % del importe = 8

Clase De 540 Kg De 335 Kg De 240 Kg De 190 Kg De 160 Kg

Arena m3

Agua litros

0,555 0,800 0,125 1,050 1,100

110 120 125 100 100

TABLA II MORTERO DE CAL HIDRÁULICA Dosificación en Cal hidráulica Kg Arena Volúmenes cal m3 arena 1:1 540 0,780 1:2 335 0,960 1:3 240 1,050 1:4 190 1,140 1:5 160 1,140

Agua litros 320 290 275 270 265

NOTA: Horas de peón = 3,5 – Pérdida en % del importe = 8

Clase

De 920 Kg De 600 Kg De 440 Kg De 350 Kg De 290 Kg. De 250 Kg De 215 Kg De 190 Kg De 175 Kg De 160 Kg

TABLA III MORTEROS DE CEMENTO PORTLAND ARTIFICIAL Dosificación en Cemento volúmenes Portland Kg Arena Cemento Arena m3 1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 1:7 1:8 1:9 1:10

920 600 440 350 290 250 215 190 175 160

0,680 0,880 0,975 1,030 1,070 1,100 1,130 1,140 1,145 1,150

NOTA: Horas de peón = 3,5 – Pérdida en % del importe = 8 102


Agua Litros 270 265 260 260 255 255 255 250 250 250



TABLA IV

Clase De 750 Kg De 475 Kg De 350 Kg De 275 Kg

MORTEROS DE CEMENTO DE FRAGUADO RÁPIDO Dosificación en volúmenes Cemento rápido Arena Cemento Arena Kg m3 1:1 750 0,710 1:2 475 0,900 1:3 350 0,980 1:4 275 1,030

Agua Litros 310 295 290 285

NOTA: Horas de peón = 3,5 – Pérdida en % del importe = 8. TABLA V

Clase De 770 Kg De 485 Kg De 350 Kg De 280 Kg De 230 Kg De 195 Kg De 170 Kg

MORTERO DE CEMENTO NATURAL DE FRAGUADO LENTO Dosificación en volúmenes Cemento lento Arena Cemento Arena Kg m3 1:1 770 0,740 1:2 485 0,930 1:3 350 1,020 1:4 280 1,070 1:5 230 1,100 1:6 195 1,120 1:7 170 1,140 NOTA: Horas de peón = 3,5 – Pérdida en % del importe = 8

Agua Litros 295 280 270 265 260 260 260

TABLA VI

Clase 1:1:4 1:1:6 1:1:8 1:2:6 1:2:8 1:2:10

103

MORTEROS BASTARDOS DE CAL GRASA Y CEMENTO PORTLAND Dosificación Cemento Cal Grasa en en volúmenes Arena m3 Agua Litros Portland Kg Pasta M3 Cto., Cal, Arena 1:1:4 290 0,215 0,800 168 1:1:6 220 0,165 0,980 170 1:1:8 180 0,135 1,060 170 1:2:6 185 0,275 0,830 160 1:2:8 155 0,230 0,920 185 1:2:10 133 0,197 0,990 157 NOTA: Horas de peón = 4 – Pérdida en % del importe = 8




VALORES DE LOS COEFICIENTES DE APORTE PARA CADA MATERIAL Arena gruesa (naturalmente humeda)

0.63

Arena Mediana (naturalmente humeda)

0.60

Arena gruesa seca

0.67

Arena fina seca

0.54

Cal en pasta

1.00

Cal en polvo

0.45

Canto rodado o grava

0.66

Cascote de ladrillo

0.60

Cemento Portland

0.47

Cemento Blancos

0.37

Mármol granulado

0.52

Piedra partida (pedregullo)

0.51

Polvo de ladrillo puro

0.56

Polvo de ladrillo de demolición

0.53

Yeso París

1.40

PESOS ESPECÍFICOS DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN (Kg./m3) Arena seca

1450

Ladrillos de Maquina

1580

Arena naturalmente húmeda

1650

Mampostería de Piedra

2250

Arena muy mojada

2000

Mármol

Cal viva en terrones

900-1100

Mortero de Cal y Arena fraguado

1650

Cal hidráulica viva, en polvo

850-1150

Mortero de Cemento, Cal y Arena fraguado Nieve suelta

1700-1900

Cal en pasta

1300

Cemento Portland

1200-1400

Cemento Blanco

1100

2700-2800

150

Nieve congelada

500

Papel en libros

1000

Polvo de ladrillos de demolición

1000

Cemento fraguado

2700-3000

Escorias de Coque

600

Porcelana

2400

Canto Rodado (Grava)

1750

Tierra arcillosa seca

1600

Hormigón armado

2400

Tierra Húmeda

1850

Hormigón de Cascotes

1800

Tiza

1000

Yeso en polvo

1200

Ladrillos Comunes

104

1350-1600




CAPITULO XI CONCRETO El concreto es un material de construcción bastante resistente, que se trabaja en su forma líquida, por lo que puede adoptar casi cualquier forma. Este material está constituido, básicamente de agua, cemento y otros añadidos, a los que posteriormente se les agrega un cuarto ingrediente denominado aditivo. El concreto es básicamente una mezcla de tres componentes: Cemento Portland, agregados y agua. Al mezclar estos tres componentes aparece simultáneamente un cuarto componente que es el aire. A estos cuatro componentes eventualmente puede incorporarse uno más y que genéricamente se designa como aditivo. Existen otros conceptos que definen al concreto como la mezcla de dos componentes, el agregado y pasta. 1. CARACTERÍSTICAS a. Densidad: Este puede ser el criterio principal para los tipos de concreto que se quieran lograr. Como sabemos la densidad está íntimamente ligado con la cantidad de vacíos que pueda tener el concreto, por tal motivo el espacio ocupado por el concreto deberá llenarse tanto como sea posible dentro del encofrado. b. Resistencia: Deberá garantizarse que el concreto tendrá siempre suficiente fuerza y resistencia interna ante los diversos tipos de falla. c. Relación agua cemento: La relación aguacemento (A/C) es el factor más importante en la resistencia del concreto. Una determinada relación agua-cemento produce distintas resistencias de acuerdo al tipo de agregado utilizado y al tipo de cemento.

A/C 

20litros Agua  0.50 es decir 40kg. Cemento

d. Textura: Las superficies de concreto expuestas deberán tener una textura densa y dura de manera que puedan resistir condiciones climatológicas adversas. 2. TIPOS DE CONCRETO. 2.1. Concreto simple: El concreto simple se elabora con arena y grava (agregado grueso) que constituyen entre el 60 y 75 por ciento del volumen y una pasta cementante endurecida formada por cemento hidráulico con agua, que con los vacíos forman el resto. 2.2. Concreto armado: Se denomina así al concreto simple cuando este lleve armaduras de acero como refuerzo y que está diseñado bajo la hipótesis de que los 105



2.3.

2.4.

2.5.

2.6.

2.7.

2.8. 2.9. 2.10.


dos materiales trabajan conjuntamente, actuando la armadura para soportar los esfuerzos de tracción o incrementar la resistencia a la compresión del concreto. Concreto estructural: Se denomina así al concreto simple, cuando este es dosificado, mezclado, transportado y colocado, de acuerdo a especificaciones técnicas, que garanticen una resistencia mínima pre-establecida en el diseño y una durabilidad adecuada. Concreto ciclópeo: Se denomina así al concreto simple que está completamente con piedras desplazadoras de tamaño máximo de 10”, cubriendo hasta el 30% como máximo, del volumen total. Las piedras deben ser introducidas previas selección y lavado, con el requisito indispensable de cada piedra, en su ubicación definitiva debe estar rodeada de concreto simple. Concreto ligero: El Concreto ligero es aquel que se elabora con agregados pétreos densos, para alcanzar una masa volumétrica seca de 400 a 1700 Kg/m 3, una vez compactado. Concreto Pesado: Este concreto es producido con agregados pesados como las baritas, minerales de fierro como la magnetita, limonita y hematita. Su densidad supera los 6400 Kg/m3. Concreto premezclado: El concreto premezclado es aquel que es entregado al cliente cómo una mezcla en estado no endurecido (mezcla en estado fresco). El concreto premezclado es uno de los materiales de construcción más populares y versátiles, debido a la posibilidad de que sus propiedades sean adecuadas a las necesidades de las diferentes aplicaciones, así como su resistencia y durabilidad para soportar una amplia variedad de condiciones ambientales. Concreto prefabricado: Aquel concreto que es elaborado en un lugar diferente a su posición final en la estructura. Concreto bombeado: Es aquel concreto que es impulsado por bombeo, a través de tuberías a su ubicación final. Concreto auto-compactado: Existen muchas definiciones sobre este material, pero la más difundida expresa que se trata de un concreto de muy alta fluidez, que puede ser colocado por su propio peso y es capaz de rellenar los encofrados sin vibración, logrando una buena consolidación, sin producir exudación ni segregación. Las diferencias fundamentales que definen un Concreto AutoCompactado (CAC) frente a un Concreto convencional son las siguientes:  

106

Los materiales se deben estudiar para cada diseño de mezcla. La consistencia debe ser totalmente líquida. La medida de la consistencia y la viscosidad no debe medirse exclusivamente con métodos tradicionales como el cono de Abrahams, sino que se deben utilizar, por las características del concreto, métodos especiales como son: SLUMP-FLOW, V_FUNNEL, L-SHAPED BOX, etc.



2.11.

2.12.

2.13.

2.14.

a.  



 


Concreto pretensado: Para construir un elemento pretensado es necesario que antes de colocar el concreto se mantengan tensionados los tendones o alambres entre anclajes externos. Cuando el concreto a logrado suficiente resistencia, los tendones son liberados de los anclajes externos y de esta manera transfieren el esfuerzo al concreto, induciendo un esfuerzo de compresión en el. Los tendones de pretensados usualmente corren en líneas rectas. Concreto postensado: El Postensado es una técnica de precargar el concreto en forma tal que se eliminen, o reduzcan, los esfuerzos de tensión que son inducidos por las cargas muertas. Los tendones son colocados en ductos o fundas, lo cual previene el afianzamiento y el concreto es fraguado para que el ducto se afiance pero el tendón adentro queda libre para moverse. Cuando el concreto ha ganado suficiente resistencia los tendones son esforzados directamente contra el concreto y son mecánicamente asegurados en anclajes empotrados en la fragua en cada extremo. Después de este estado, se tensionan los tendones y de aquí en adelante la compresión inducida en el concreto es mantenida por los anclajes. Concreto de Alta Resistencia: Es un tipo de concreto (hormigón) de alto desempeño, que comúnmente tiene una resistencia a la compresión especificada de 400kg/cm2 (40 MPa) o más. La resistencia a la compresión se mide en cilindros de prueba de 6” X 12” (150 X 300 mm) o de 4” X 8” (100 X 200 mm), a los 56 o 90 días por lo general, o alguna otra edad especificada dependiendo su aplicación. La producción de concreto de alta resistencia requiere un mayor estudio así como un control de calidad más exigente en comparación con el concreto convencional. Concreto Rheoplástico: Es aquel concreto cuyas características reológicas están controladas mediante aditivos que incrementan la plasticidad sobre los limites convencionales, sin producir exudación, segregación, ni alterar la relación agua/cemento haga lo que nosotros queramos. Propiedades generales de los concretos rheoplásticos: Rango de plasticidad: 6’’ a 12’’, se obtienen un concreto sumamente fluido y manejable. Mezclas cohesivas sin segregación, a diferencia de plastificar solo con agua, que nos reduce la cohesividad. Este concreto rheoplástico es sumamente cohesivo, es decir no se separa el agregado grueso del agregado fino. Mantiene el slump por mayor tiempo, a diferencia del concreto convencional dosificado solo con agua, que mantiene un tiempo de vida de trabajabilidad de 90 minutos, algunos casos un poquito más, pero con estos concretos rheoplásticos se puede obtener de 2 a 3 horas. Control de temperatura en clima cálido, al permitir bastante la temperatura en clima cálido. Impermeabilidad mejorada, nos ayuda tener una relación a/c bastante bajas, la estructura de los poros es muy fina y esto mejora bastante la impermeabilidad.

107




 Características resistentes incrementadas, estos aditivos producen una dispersión adicional del cemento y hace que el proceso de hidratación, sea mayor de lo normal - Reducción por secado y flujo plástico, que son 2 de los grandes problemas que tenemos en el concreto, desde el punto de vista de figuración.

3. ESTADOS DEL CONCRETO 3.1. Estado fresco: Al principio el concreto parece una masa. Es blando y puede ser trabajado o moldado en diferentes formas. Y así se conserva durante la colocación y la compactación. Las características más importantes del concreto fresco son la trabajabilidad y la cohesividad. 3.2.

Estado fraguado: Después el concreto empieza aponerse rígido. Cuando ya no está blando se conoce como fraguado del concreto. El fraguado tiene lugar después de la compactación y durante el acabado. El concreto que esta aguado o muy mojado puede ser fácilmente colocado, pero será más difícil darle un acabado.

3.3.

Estado endurecido: Después de que el concreto ha fraguado empieza ganar resistencia y se endurece, las propiedades del concreto endurecido son la resistencia y durabilidad

4. PROPIEDADES DEL CONCRETO 4.1. Propiedades del concreto fresco 4.1.1. Docilidad: Es la aptitud del concreto de constituirse en una masa con trabazón y tener facilidad para “cerrarse”, es decir debe trabarse sin dejar espacios vacíos. En función de la relación arena/agregado (arena/arena + piedra) y de la redondez del agregado. No se debe confundir consistencia con docilidad, pues el concreto puede ser muy consistente y cerrar con facilidad. 4.1.2. Trabajabilidad: El concreto fresco debe ser adecuado a las características particulares de cada obra, su trabajabilidad debe permitir recibirlo, transportarlo, colocarlo en los encofrados, compactarlo y terminarlo correctamente con los medios disponibles sin segregación de los materiales componentes. De ese modo el concreto elaborado llenará totalmente los encofrados, sin dejar oquedades o nidos de abeja y recubrirá totalmente las armaduras de refuerzo, tanto en pro de la resistencia estructural como para la pasivación del hierro lograda con la lechada de cemento, y quedará con la terminación prevista para la obra. La trabajabilidad es afectada por:

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 La cantidad de pasta de cemento: la pasta de cemento es la parte blanda o liquida de la mezcla de concreto. Mientras más pasta se mezcle con los agregados grueso y fino, más trabajable será la mezcla.  La granulometría del agregado: los agregados bien graduados, lisos y redondos, mejoran la trabajabilidad de la mezcla. Para hacer una mezcla trabajable:   

Agregue mas pasta de cemento Use agregados bien graduados Utilice un buen aditivo

4.1.3. Consistencia o fluidez: La consistencia se refiere a la fluidez de las mezclas. Abarca diversos grados de fluidez: desde mezclas secas o rígidas, hasta las muy fluidas o sueltas. La consistencia depende, principalmente, de la cantidad de agua aportada en el mezclado; también, de la cantidad de cemento incorporado en la mezcla; igualmente, de la forma y tamaño de los agregados. La consistencia es elegida teniendo en cuenta el elemento o componente de concreto a construirse y el método de compactación a emplearse en la colocación. En una mezcla plástica, hay suficiente cantidad de pasta de cemento de consistencia tal, que los agregados virtualmente flotan en la pasta. Esto permite la incorporación homogénea de los agregados y elimina el potencial riesgo de segregación y de formación de “cangrejeras”. La consistencia de una mezcla puede ser apreciada a simple vista; no obstante, esta manera empírica no es indicativa de la regularidad o uniformidad de la consistencia. Para evaluar y controlar de modo más apropiado la consistencia de las mezclas se emplea el método del asentamiento o “slump”, que consiste en llenar un molde de forma troncocónica, de 30 cm. de altura, 20 cm. de diámetro en la base mayor y 10 cm. de diámetro en la base menor. 4.1.4. Consolidación: La vibración pone en movimiento a las partículas en el concreto recién mezclado, reduciendo la fricción entre ellas y dándole a la mezcla las cualidades móviles de un fluido denso. La acción vibratoria permite el uso de la mezcla dura que contenga una mayor proporción de agregado grueso y una menor proporción de agregado fino. Empleando un agregado bien graduado, entre mayor sea el tamaño máximo del agregado en el concreto, habrá que llenar pasta un menor volumen y existirá una menor área superficial de agregado por cubrir con pasta, teniendo como consecuencia que una cantidad menor de agua y de cemento es necesaria, con una consolidación adecuada de las mezclas más duras y ásperas pueden ser empleadas, lo que tiene como resultado una mayor calidad y economía. Si una mezcla de concreto es lo suficientemente trabajable para ser consolidada de manera adecuada por varillado manual, puede que no exista ninguna ventaja en vibrarla. De hecho, tales mezclas se pueden segregar al vibrarlas. Solo al emplear mezclas más duras y ásperas se adquieren todos los beneficios del vibrado. 109




4.1.5. Segregación: Es la separación de los materiales que constituyen una mezcla de cemento. Entre los principales factores que producen segregación están la diferencia en tamaños de las partículas y la mala distribución granulométrica de los agregados. Otras causas se refieren a los inadecuados procesos del concreto: Mezclado, trasporte, colocación y compactación. La segregación se produce en dos formas: Las partículas gruesas tienden a separarse de las otras por acción de la gravedad, esto ocurre generalmente con mezclas secas y poco plásticas. La otra forma es la separación de la pasta (cemento y agua) lo que ocurre con mezclas muy fluidas. 4.1.6. Homogeneidad: Se refiere a que los componentes del concreto se encuentren en la misma proporción en cualquier parte de la masa o de masas diferentes de un mismo concreto. Considerando que el concreto es una mezcla cuyos componentes tienen diferente peso específico, estos tenderán a segregarse. La homogeneidad depende del tipo y tiempo de mezclado, del transporte, de la compactación, etc. Para el muestreo del concreto se debe tomar masas que correspondan al tercio central de una tanda de mezcladora. 4.1.7. Exudación: Se conoce también como sangrado y consiste en que parte del agua de mezclado tiende a subirse a la superficie del concreto recién colocado o durante el proceso de fraguado. La exudación puede crear problemas en el concreto; cuando la velocidad de la evaporación es menor que la velocidad de la exudación, se forma una película de agua que aumenta la relación agua cemento en la superficie y posteriormente esta zona queda porosa y de baja resistencia al desgaste; pero si la velocidad de evaporación es mayor que la velocidad de la exudación se pueden producir grietas de contracción. La exudación puede ser controlada con aditivos inclusores de aire, cementos más finos y un control de agregado fino. 4.1.8. Peso Unitario: Se refiere al peso que tiene el concreto en un determinado volumen, nos sirve para poder compararlo respecto a otros concretos y verificar que las proporciones del material es la correcta. Se logrará de la siguiente manera:  Se llena un recipiente cilíndrico con concreto en tres capas y cada capa con 25 golpes por medio de una varilla de 0.60 m. de longitud y 5 8”de diámetro.  Una vez obtenido el peso del concreto y el volumen del recipiente, bastará una simple división para poder hallar el peso unitario del concreto fresco. 4.2. Propiedades del concreto endurecido 4.2.1. Densidad: La densidad del concreto se define como el peso por unidad de volumen. Depende de la densidad real y de la proporción en que participan cada uno de los diferentes materiales constituyentes del concreto. Para los concretos convencionales, formados por materiales granulares provenientes de rocas no mineralizadas de la corteza terrestre su valor oscila entre 2.35 y 2.55 Kg/dm3.

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4.2.2. Resistencia: La resistencia es una de las propiedades más importantes del concreto, principalmente cuando se le utiliza con fines estructurales. El concreto, en su calidad de constituyente de un elemento estructural, queda sometido a las tensiones derivadas de las solicitaciones que actúan sobre éste. Si sobrepasan su capacidad resistente se producirán fracturas, primero de origen local y posteriormente generalizadas, que podrán afectar la seguridad de la estructura.  El concreto bien hecho es un material naturalmente resistente y durable.  Es denso, razonablemente impermeable al agua, capaz de resistir cambios de temperatura, así como resistir desgaste por temperatura.  La resistencia y la durabilidad son afectadas por la densidad del concreto. El concreto más denso es más impermeable al agua.  La durabilidad del concreto se incrementa con la resistencia.  El concreto bien hecho es importante para proteger el acero en el concreto reforzado.  La resistencia del concreto en el estado endurecido generalmente se mide por la resistencia a compresión usando la prueba de resistencia a la compresión. 4.2.3. Variaciones de volumen y fisuración: El concreto experimenta variaciones de volumen, dilataciones o contracciones, durante toda su vida útil por causas físico químicas. El tipo y magnitud de estas variaciones están afectados en forma importante por las condiciones ambientales existentes de humedad y temperatura y también por los componentes presentes en la atmósfera. 4.2.4. Durabilidad: Expresa el comportamiento del material para oponerse a la acción agresiva del medio ambiente u otros factores como el desgaste, asegurando su integridad y la de las armaduras de refuerzo durante el período de construcción y después, a lo largo de toda la vida en servicio de la estructura. 4.2.5. Impermeabilidad: Es una característica estrechamente ligada a la durabilidad y la que más colabora con ésta. La impermeabilidad es el resultado de disponer de un concreto compacto y uniforme, con la suficiente cantidad de cemento, agregados de buena calidad y granulometría continua, dosificación racional, relación agua/cemento lo más baja posible dentro de las condiciones de obra para permitir un excelente llenado de encofrados y recubrimiento de armadura, eliminando toda posibilidad de que queden en la masa bolsones de aire o nidos de abeja a fin de impedir que ingresen a la masa del concreto los elementos agresivos. Si la impermeabilidad es condición muy importante para el correcto funcionamiento y durabilidad de la estructura, el productor de concreto elaborado puede agregar a pedido del usuario un aditivo químico para incorporar intencionalmente la cantidad de aire -se mide en porcentaje sobre la masa total- que sea necesaria. Se podrá aumentar la impermeabilidad del concreto si se atienden los siguientes aspectos de su fabricación por orden de importancia:

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 Emplear mezclas secas, de baja relación aguacemento. Los concretos más resistentes son los menos permeables.  Lograr una granulometría con el mínimo de vacíos posible.  Colar el concreto con el uso discreto de vibradores que compacten la mezcla y expulsen parte de las burbujas de aire. 5. PRUEBAS AL CONCRETO FRESCO Para cualquier tipo de ensayo del concreto en estado fresco se debe tener en cuenta la Norma ASTM C143-00 Sampling Freshly Mixed Concrete.  Asentamiento, consistencia o revenimiento.  Peso unitario, masa unitaria o densidad.  Trabajabilidad  Fluidez  Tiempo de fraguado  Contenido de aire  Temperatura  Otros 6. PRUEBAS AL CONCRETO ENDURECIDO.  Elasticidad  Resistencia a la compresión  Tracción diametral  Flexión

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CAPITULO XII UNIDADES DE ALBAÑILERÍA Dentro de las unidades de albañilería o productos cerámicos se pueden mencionar a diversos productos como: el adobe, la piedra, los diferentes tipos de ladrillos. 1. EL ADOBE: El adobe es un ladrillo crudo, de barro amasado con agua y alguna sustancia como cal paja, arena, estiércol, etc. Para darle consistencia y secado al calor del sol. Se ponen en obra con pasta de barro. Es un material de bajo costo y de muy fácil preparación, por lo que se le ha usado extensivamente en la costa de nuestro país, donde las lluvias son escasas; pero como tiene los inconvenientes que vamos a indicar enseguida, hoy se tiende a reemplazarlo con ladrillos cerámicos. Las principales ventajas del adobe, además de las expuestas, están en proporcionar muros a prueba de sonidos y que son muy malos conductores de calor, por lo que las habitaciones construidas con ellas son frescas en verano y abrigadas en invierno. Se recomienda su empleo para la construcción de polvorines y depósitos de explosivos, porque aparte de sus buenas características climatéricas ya expuestas, en caso de accidente se transforman fácilmente en tierra. Los inconvenientes del adobe son principalmente su poca resistencia a la compresión, su débil amarre entre una pieza y otra, y la facilidad con que se desarrollan en su masa roedores y otras alimañas. Esta contra-indicado construir con adobes muros en segundo piso. Además la humedad los maltrata bastante pero su duración es apreciable. a. Fabricación: Se consideran 4 etapas:  Preparación de las tierras: Se eligen las que son bastante arcillosas y carentes de piedras; las llamadas migajón, son las preferidas; presentando un color ligeramente rojizo. Cuando las tierras son arenosas, proporción mayor de 20%, el adobe resulta frágil.  Amasado del barro: Se llama también dar el temple, que consiste en agregar la cantidad de agua necesaria para hacer posible el moldeado.  Moldeado: Se realiza sobre un terreno previamente nivelado y sobre el cual se espolvorea una ligera capa de arena, guano, paja, etc. Sobre el tendal se coloca la gravera o molde de madera, la cual se rellena con el barro ya preparado, alisando la superficie libre con la con la mano o con una regla de madera o tarraja. Para impedir que el barro se pegue al molde, al secar el adobe ya perfilado, se le espolvorea también con arena, guano, etc, habiéndolo mojado previamente. El secado se realiza dejando simplemente el adobe al aire libre. b. Características Técnicas: Como regla general debe indicarse que en albañilería, para que el amarre de las piezas se haga con facilidad y armonía se acostumbra hacer el largo de 113




cada unidad igual a dos veces el ancho, más el espesor de una juntura. Y el ancho igual a dos veces el grueso o alto más una juntura. Teniendo en cuenta la regla de la anterior, las siguientes son buenas dimensiones para los adobes: 46x22x10cm, adoptando junturas de 2cm de espesor que son las convenientes. Otras dimensiones usuales, aunque se apartan de la regla, son de 40x22x8cm. Los muros de adobe se construyen generalmente de espesor de una sola unidad, ya sea con el adobe a través, o a tizón, o adobe de cabeza; o con el adobe a lo largo, o adobe de soga, por lo que no hay inconveniente en el empleo de las dimensiones anotadas. Nunca se usan muros o tabiques construidos con el adobe de canto o muros de panderete, muy empleados en tabiques de ladrillos. Debido a la rusticidad con que se fabrican los adobes, se aceptara una variación en sus dimensiones hasta de 1/2cm, en más o en menos, la densidad del adobe es aproximadamente de 1.6. La resistencia a la compresión es de 33 a 47Kg/cm2 debiéndose esta variación a la diversidad de los materiales empleados en la fabricación. 2. LA PIEDRA: Se consideran a todos los materiales que se emplean tal como se encuentran en la naturaleza, es decir sin otra manipulación que las operaciones relacionadas con su extracción, corte y a veces pulido de su superficie. También se les define diciendo que son aquellas rocas que se emplean en trabajos de albañilería. Las cualidades que deben poseer las piedras de construcción son: la durabilidad, resistencia, aspecto ornamental y baratura. Desde el punto de vista estructural las mejores son las más duras, densas, compactas y de textura uniforme. Las cualidades de una piedra de construcción pueden ser previstas, como primera información, examinando la textura de la fractura de un trozo recién desprendido. De acuerdo con este examen las cualidades más importantes se dan a continuación.  Estructura cristalina: Proporciona una fractura uniforme con superficie de rotura bien marcadas.  Estructura Granular: Da una fractura desigual, con elementos o puntas salientes.  Estructura Pizarrosa: Origina una fractura según planos paralelos a los de la laminación, muy uniformes y cantos muy desiguales en las otras direcciones.  Estructura Dura y Compacta: Da fractura denominada conoidal o curvada que ofrece cavidades y convexidades de superficie muy uniforme parecidas al exterior e interior de conchas.  Estructuras suaves y quebradizas: Proporciona una fractura de aspecto terroso y áspero.

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a. Piedras usadas en construcción:  Piedra Grande de río: Así se denominan los guijarros o piedras de dimensiones apreciables de constitución silicosas que se encuentran en los cauces de los ríos actuales o pretéritos. Son pues, geológicamente hablando, material de acarreo o de tránsito. Se emplean en albañilería cíclopea en cimentaciones y en rellenos de albañilería. También se les usa en la construcción de los denominados muros de piedra seca o pircas que están formados por piedras simplemente apiladas o yuxtapuestas sin mortero alguno. El principal uso de estas pircas o plicas en el país es en muros de sostenimiento provisionales para caminos y ferrocarriles; también se emplean en muros de defensa o encauce de los ríos, en javas de fibras vegetales o alambrados; y en cercos, en general.  Piedra Grande de canteras: Es un sustituto del material anterior. Como su nombre lo indica proviene de canteras. Se emplea en la misma forma que la piedra grande de río.  Piedra Artificial: En lenguaje corriente entre nosotros se da el nombre de piedras artificiales a algunos revestimientos de albañilería empleados con fines decorativos.  Revestimientos Ornamentales: Se aplican directamente a la albañilería usándolos en formas de pastas o chapas premoldeadas que por mucha frecuencia solo llevan el material ornamental en la superficie visible.

3. LADRILLO: Los ladrillos cerámicos para construcción o ladrillos cocidos y más corrientemente ladrillos son los bloques de arcilla o barro endurecidos por el fuego, con frecuencia se les tilda de piedras artificiales. a. Clases: Los principales tipos usados entre nosotros son los siguientes:  Macizos corrientes: Que se emplean para toda clase de muros. En el mercado los hay de varias dimensiones, como se verá más adelante.  Huecos: Utilizados para muros en pisos altos a fin de disminuir los pesos usados también en los techos de concreto armado del tipo llamado techo aligerado y que en otros países se llama forjados de ladrillo armado.  Ladrillón: Denominado también bomba, King Kong, etc. Empleados en muros de rellenos o en aquellos que van a soportar cargas apreciables.  Pasteleros: Usados como revestimientos o para impermeabilizar azoteas y para pisos rústicos y de poco tráfico.  Panderetas: Con huecos empleados para aligerar el peso de los muros. De acuerdo a la manera como se ha conducido la cocción los ladrillos se llaman pintones cuando se han quemado crudos y recochos si la quema ha sido excesiva. 115




b. Características del buen ladrillo:  Deben presentar un grano compacto fuerte, es decir, que no se desmoronen fácilmente.  Golpeados en el aire deben ofrecer un sonido metálico, los que lo emiten sordo son de mala calidad. Cuando se hace está prueba con ladrillos huecos y que no deben emplearse rajados el sonido característico de callana indica que deben ser rechazados.  Aunque la regla tiene excepciones los ladrillos rojizos son mejores que los amarillentos.  En la fractura los ladrillos no deben presentar trozos blanquecinos o crudos toda la fractura debe ser de grano uniforme.  No deben absorber más del 7% de su peso en agua. c. Dimensiones y pesos de los Ladrillos: TIPOS Ladrillos macizos

DIMENSIONES (cm) Corriente Alto Ladrillón Pandereta 2 huecos 3 huecos

Ladrillos huecos

4 huecos

6 huecos Ladrillos pasteleros

24x11x11.5x6 24x11.5x9 25x16x12 25x12x10 30x20x8 40x20x12 25x14x6 40x30x12 40x20x20 40x30x20 45x40x12 25x12x10 40x20x12 40x30x12 40x30x20 20x20 25x25

PESO kg c/u. 3,100 4,300 7,600 3,800 7,150 10,200 12,000 14,000 3,100 3,800 20,500 1,600 2,500

d. Propiedades mecánica: La resistencia de los ladrillos es simple mucho mayor que la de los morteros con los cuales se les asienta. La resistencia a la compresión es de 240Kg/cm 2, la cual debe llegar al doble en los ladrillos macizos prensados y bien quemados. Un coeficiente de trabajo para albañilería de ladrillos muy aceptado entre nosotros es el de 10Kg/cm2. La densidad de los ladrillos varía entre 1.6 a 2.5 generalmente se prescribe densidad 2.0 para ladrillos que se van a usar en buena albañilería. La densidad del polvo de ladrillo varía entre 2.5 a 2.9. e. Fabricación: Como regla general de manufactura de los ladrillos huecos debe ser más cuidadosa que la de los macizos y la calidad del barro también mejor en aquellos que en estos. La fabricación de los ladrillos comprende las siguientes etapas:

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 Amasado: Después de haberle quitado las tierras todas las materias extrañas como piedras, basura, etc, se les desterrona, pulveriza y se mezcla con agua, moviéndola repetidas veces para que toda la masa tenga la misma consistencia, y todos los granos de ella aparecen suficientemente húmedos. El amasado se puede ejecutarse a mano y entonces los obreros que lo ejecutan emplean el pico y la barreta para desprender las tierras, el rastrillo para eliminar las piedras, y las lampas o paletas para revolver la pasta. En las instalaciones de importancia el amasado se hacen con máquinas que generalmente lo realizan en dos etapas: primeramente unas que rompen los terrones y los pulverizan; y luego, otras en las que se realiza el verdadero amasado. Las máquinas de amasado constan en su parte principal de un cilindro horizontal o con ligera inclinación, giratorio; con paletas en su eje, también giratorias, las cuales baten la pasta hasta que esta toma la plasticidad conveniente. A las máquinas amasadoras de este género, y en general a todo recipiente con paletas giratorias se le llama malaxador.  Moldeado: El moldeado a mano se realiza de un modo similar al empleado para fabricar adobes, con la única diferencia de que siendo los ladrillos de dimensiones menores, las graveras se construyen para moldear 4 ladrillos a la vez. También el moldeado de los ladrillos se puede hacer a máquina. Las máquinas empleadas son de tres tipos: En las primeras clases las máquinas están diseñadas para trabajar con un barro húmedo, con el cual se llena una tolva, de donde la masa pasa a los moldes previamente espolvoreados de arena y en los que el barro se somete a presión por mandriles, quedando así formado el ladrillo. Los moldes son capaces de producir de 4 a 8 piezas por vez. El segundo tipo de máquina opera con un barro de menor cantidad de agua que las anteriores y por esta razón se le llama de barro duro o de masa semi-húmeda. En estas máquinas se obtiene una pieza de longitud indefinida que producen forzando el barro a pasar a través de una boquilla. Está pieza continua va a depositarse sobre una mesa que lleva la cortadora, formada por alambres sostenidos con marcos apropiados, que en momento oportuno cruzando la masa la corten en la dimensión de los ladrillos. La fabricación de los ladrillos y su corte se pueden hacer también a lo largo e igualmente de canto. Por último en el tercer tipo de máquina, se emplea arcilla casi seca, que colocada en los moldes recibe una presión considerable formándose así las piezas.  Secado: Está operación consiste en dejar que las piezas moldeadas pierdan por evaporación el agua de la pasta. 117




El secado puede hacer simplemente al aire libre dejando las piezas sobre canchas o tendales en especies de anaqueles y por último en rumas. En este último sistema los ladrillos se colocan unos sobre otros, pero de manera que queden espacios entre ellos a fin de dejar libre circulación de aire y se active el secado, esta disposición se obtienen cruzando los ladrillos de una hilera con respecto a los de la inferior. Igualmente se activa el secado depositando los ladrillos en cámaras en los que se eleva la temperatura ambiente por inyecciones de aire caliente o de vapor. Algunas veces se utilizan los gases calientes en los hornos de cocción. Debe dejarse establecido que la operación de secado es de más o menos duración como es natural según el procedimiento que se ha seguido en el moldeado, pero cualquiera sea la forma en que se manufacturan las piezas es de capital importancia que no se sometan a la cocción sino después de que estén completamente secas, pues en caso contrario se corre el riesgo que pierdan su forma con el fuego, o sufran alteraciones importantes en sus dimensiones.  Horneado : Se práctica por muchos métodos, entre los cuales tenemos:  Por montón o Pira: Es similar al de las huayronas que se ha descrito en la preparación de la cal. En otros países se llama de hormigueros. Se hace en el piso la excavación que va a servir de hornillo y sobre este se disponen hileras abovedadas de ladrillos por cocer y encima las capas de ladrillos dejando espacios para el paso de los gases y llamas. Cada dos o tres capas de ladrillos se echa una de carbón. Se recubre el conjunto con una capa de arcilla húmeda. Se prende fuego con paja o leña por la parte inferior, en el que se propaga al carbón, produciéndose la cocción de los ladrillos. El procedimiento es muy rústico y de escaso rendimiento.  Huayronas.- El método es un poco menos primitivo que el anterior y de mayor rendimiento. Se construye con adobes o ladrillos escogidos, un cilindro de unos 4.00 a 6.00 metros de diámetro y de 6.00 a 8.00 metros de altura, este cilindro se compone de dos partes: la inferior que es el hogar; y la superior que constituye el cuerpo del horno o cámara. El hogar tiene una altura de 1.50 a 2.00m y está separado de la cámara por la parrilla formada por bovedillas de ladrillos refractarios apoyadas en viguetas de fierro o rieles forrados a su en ladrillos o tierra refractada. Estas bovedillas tienen agujeros para permitir el paso de las llamas y de los gases de la combustión. El hogar está previsto de una puerta para la alimentación del combustible y la extracción de las cenizas y además de troneras para la entrada del aire que vigoriza el tiro. El cuerpo del horno tiene a su vez poternas para cargarlo y descargarlo de los ladrillos se le llena con ladrillos crudos puestos de canto y espaciados y a su vez colocados se tapan las poternas con adobes o con ladrillos crudos, y se enciende el combustible. La cocción dura de 24 a 36 horas y se necesita un par de días después de apagado el horno, para que se puedan retirar los ladrillos.

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

Hornos intermitentes: Son los más usados en el país, son las huayronas con algunas variantes. En plano son de sección rectangular y se operan siempre con petróleo como combustible. Sobre el piso del horno se levantan solo con los mismos ladrillos crudos pequeñas bovedillas longitudinales que cruzan el horno de un lado a otro y a lo largo de los cuales actúan los quemadores de petróleo uno en cada extremo de cada bovedilla. Sobre estas bovedillas se colocan los demás ladrillos. Es este hornos se pueden quemar de 100 a 200,000 ladrillos en cada operación y como la instalación del quemador del petróleo requiere la de un caldero productor de vapor se acostumbra los hornos en baterías de 2 a 4 unidades, las cuales son alternativamente conectadas al caldero.



Hornos continuos.- Son los más perfectos en esta industria y como su nombre lo indica permiten la cocción ininterrumpida de ladrillos. Entre las distintas clases empleadas el más conocido desde hace muchos años es el de Hoffman. Con estos hornos se obtiene una economía que alcanza hasta el 70% en combustible y es posible cocer de 20 a 40,000 ladrillos diariamente.

4. LADRILLOS CALCÁREOS: Son bloques preparados como sustitutos de los ladrillos corrientes de arcilla quemada. La mezcla de los materiales y el moldeado del ladrillo se realizan mecánicamente. Su endurecimiento se lleva a cabo en autoclaves donde se les mantiene a una temperatura de vapor de 200° y a una presión de 15 atmósferas. Se producen varios tipos de ladrillos tanto en su coloración blancos, rosados y amarillos, etc. Las dimensiones son de acuerdo a la aplicación, así como también si son macizos o huecos. Las dimensiones de los más corrientes son las siguientes, en centímetros correspondiente el último guarismo a la altura:      

Corriente King Kong King Kong Tabique, 3 huecos Pandereta, 17 huecos Pastelero

22x10.5x6 25x12x10 25x14x10 29x9x12 25x14x12 24x24x3

Los ladrillos macizos resisten de 100 a 150kg/cm2 a la compresión y a la rotura. Como recomendación importante al ponérseles en obra es la de que no debe mojárseles, o sea se colocan secos, pues se pueden poner en actividad y las sales alcalinas que contiene en proporción de 0.5 a 1.5%. El mortero que se emplea para asentarlos puede ser de proporción 1:1:10, en volumen de cemento, cal y arena, se prepara bien fluido. Para tarrajeos se salpica ligeramente con agua el paramento y se emplea el método del “chicote” alisando la superficie con regla y rellenado los vacíos que pudieran quedar con “paleta”, no siendo necesario el empleo de “cintas”. 119




 Ladrillos de Cal y Arena: Son bloques macizos preparados como sustitutos de los ladrillos corrientes de arcilla quemada. Se componen de una mezcla de cal y arena fina, 1:5 a 1:10. Se moldean en máquinas o prensas que ejercen una presión de 1000kg/cm 2 aproximadamente. Después de moldearlos se endurecen por vapor de agua a presión de 9 atmósferas, que se aplica en un depósito cerrado como durante 11 horas. 5. LADRILLOS REFRACTARIOS: Son aquellos que se fabrican especialmente para recibir la acción del fuego directo y también para evitar radiaciones excesivas de calor se emplean por consiguiente en hornos y hogares. a. Clasificación y caracteres técnicos:  Ladrillos refractarios ácidos: Los tipos más empleados son el ladrillo de arcilla refractaria y el de sílice, a este último se le llama también en la industria ladrillo silicoso. El de arcilla se compone de tierra refractaria a la que se agrega un poco de arena para disminuir la contracción y rajadura al tiempo de secarse. Las arcillas empleadas contienen sílice alúmina y fundentes debiendo estar estos últimos en proporción no mayor de 10%. La mayor propiedad refractaría lo proporciona la alúmina. Debido a su gran dilatación por el calor, estos ladrillos se utilizan con junturas anchas.  Ladrillos Básicos: Se fabrican con estas características químicas a fin de que puedan soportar las reacciones básicas de las cenizas y escorias en ciertos procesos metalúrgicos tales como en los convertidores Bessemer, en los hornos para la metalurgia del cobre, etc.  Ladrillos Neutros: Son fabricados principalmente con cromita u óxido de fierro y cromo. b. Fabricación: Los ladrillos refractarios se moldean y secan de manera semejante a los ladrillos macizos corrientes pero su fabricación es mucho más cuidadosa, siendo también su costo mucho mayor. Características especiales de la fabricación lo constituyen las máquinas mezcladoras de los materiales de composición, en las que se preparan cuidadosamente las mezclas. 6. LADRILLOS PARA PAVIMENTOS: Los ladrillos usados para pavimentación deben ser duros y tenaces, compactos y no absorbentes. Su manufactura difiere a la de los ordinarios en que son quemados a mucha mayor temperatura de 800 a 1000°C, como para vitrificar el ladrillo. La selección de las arcillas empleadas es más prolija y el moldeado siempre se hace a presión. Las dimensiones más usadas son 23x10x7.5cm. Una característica propia de estos ladrillos es la de que en dos de sus caras tranversales al piso presentan salientes de altura igual al espesor provisto para las junturas a fin de que estas resulten uniformes y el conjunto una vez puestos en obra los ladrillos presentan aspecto armónico. En el país se han usado estos ladrillos para cubrir pequeñas áreas sobre todo por razones industriales o estéticas pero nunca se les ha fabricado entre nosotros.

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CAPITULO XIII Maderas La madera es un material complejo, con unas propiedades y características que dependen no sólo de su composición sino de su constitución (o de la manera en que están colocados u orientados los diversos elementos que la forman). El cómo están colocados u ordenados estos elementos nos servirá para comprender mejor el comportamiento, algunas veces poco lógico (aparentemente) de este material. En primer lugar se ha de recordar que la madera no es un material de construcción, fabricado a propósito por el hombre, sino que es un material obtenido del tronco y las ramas de los árboles cuya finalidad es la de facilitar el crecimiento y supervivencia de este elemento vegetal. La madera no es un material homogéneo, está formado por diversos tipos de células especializadas que forman tejidos. Estos tejidos sirven para realizar las funciones fundamentales del árbol; conducir la savia, transformar y almacenar los alimentos y por último formar la estructura resistente o portante del árbol. Será interesante recordar algunos conceptos respecto a la composición, microestructura y sobre todo la macroestructura de la madera. 1. COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURAS DE LA MADERA: a. COMPOSICIÓN: Es una sustancia fibrosa, organizada, esencialmente heterogénea, producida por un organismo vivo que es el árbol. Sus propiedades y posibilidades de empleo son, en definitiva, la consecuencia de los caracteres, organización y composición química de las células que la constituyen. El origen vegetal de la madera, hace de ella un material con unas características peculiares que la diferencia de otros de origen mineral. Elementos orgánicos de que se componen: -

Celulosa: 40-50%

-

Lignina: 25-30%

-

Hemicelulosa: 20-25% (Hidratos de carbono)

-

Resina, tanino, grasas: % restante

Estos elementos están compuestos de: Elementos esenciales (90%): - Carbono: 46-50% - Oxígeno: 38-42% - Hidrógeno: 6% - Nitrógeno: 1% 121


-

Otros elementos (10%): Cuerpos simples (Fósforo y azufre) Compuestos minerales (Potasa, calcio, sodio)



b. ESTRUCTURA MACROSCÓPICA: La observación de un trozo de madera nos permitirá ver los diversos elementos característicos que la forman, y además, apreciar que no se trata de un material homogéneo. Si se observa el tronco de un árbol, se ve que tiene forma casi cilíndrica (troncocónica) y que está formado por sucesivas capas superpuestas (anillos). En primer lugar se aprecia que entre la madera y la corteza existe una capa generatriz, llamada cambium, que produce madera hacia el interior y corteza hacia el exterior. En cada período vegetativo se forma una nueva capa (anillo) que cubre la anterior. Dentro de cada capa se observan dos zonas bien diferenciadas, la formada al principio del período vegetativo con células de paredes delgadas y grandes lúmenes que se denomina madera de primavera, y la formada durante el verano, con células de paredes gruesas y lúmenes pequeños, llamada madera de verano. Esta diferencia entre las dos zonas, hace fácilmente distinguible en la sección transversal, una serie de anillos concéntricos llamados anillos de crecimiento, cada uno de los cuales corresponde a un período vegetativo de la vida del árbol y que en nuestro clima, representa el crecimiento anual, por lo que su número indica la edad del árbol.

Analicemos, una por una, las diferentes partes que se puedan observar en una sección normal al eje del árbol.  Médula: Parte central del árbol. Constituida por tejido flojo y poroso. Tiene un diámetro muy pequeño. Madera vieja y normalmente agrietada. Se suele desechar en los procesos de elaboración de la madera.  Duramen: Madera de la parte interior del tronco. Constituido por tejidos que han llegado a su máximo desarrollo y resistencia (debido al proceso de lignificación.) De coloración, a veces, más oscura que la exterior. Madera adulta y compacta. Es aprovechable. La duraminización (transformación de albura a duramen) de la madera se caracteriza por una serie de modificaciones anatómicas y químicas, oscurecimiento, aumento de densidad y mayor resistencia frente a los ataques de los insectos.

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 Albura: Se encuentra en la parte externa del tronco, bajo la corteza. Constituida por tejidos jóvenes en período de crecimiento (zona viva). Contiene mucha savia y materias orgánicas. De coloración más clara que el duramen, más porosa y más ligera, con mayor riesgo frente a los ataques bióticos.  Cambium: Capa existente entre la albura y la corteza, constituye la base del crecimiento en especial del tronco, generando dos tipos de células: -

Hacia el interior: Madera (albura)

-

Hacia el exterior: Liber

 Liber: Parte interna de la corteza. Es filamentosa y poco resistente. Madera embrionaria viva.  Corteza: Capa exterior del tronco. Tejido impermeable que recubre el liber y protege al árbol.  Radios leñosos: Bandas o láminas delgadas de un tejido, cuyas células se desarrollan en dirección radial, o sea, perpendicular a los anillos de crecimiento. Ejercen una función de trabazón. Almacenan y difunden las materias nutritivas que aporta la savia descendente (igual que las células de parénquima). Contribuyen a que la deformación de la madera sea menor en dirección radial que en la tangencial. Son más blandos que el resto de la masa leñosa. Por ello constituyen las zonas de rotura a comprensión, cuando se ejerce el esfuerzo paralelamente a las fibras.  Anillos anuales: Cada anillo corresponde al crecimiento anual, consta de dos zonas claramente diferenciadas: -

Una formada en primavera: Predominan en ella los vasos gruesos que conducen la savia bruta hasta las hojas (tejido vascular). Color claro, pared delgada y fibras huecas y blandas.

-

Otro formado en verano: Tienen los vasos más pequeños y apretados. Sus fibras forman el tejido de sostén. Color oscuro denso y fibras de paredes gruesas.

En zonas tropicales (o en las zonas donde no se producen, prácticamente, variaciones climáticas con los cambios de estación, y la actividad vital del árbol es continua), no se aprecian diferencias entre las distintas zonas de anillos de crecimiento anual. Su suma, son los años de vida del árbol. Debido a la forma tronco-cónica del árbol, los anillos anuales se deben contar en el tronco, en zona más próxima a las raíces.

c. ESTRUCTURA MICROSCÓPICA DE LA MADERA Como se ha visto la madera no es un material homogéneo, está formado por diversos tipos de células especializadas que forman tejidos. Estos tejidos sirven para realizar las funciones fundamentales del árbol; conducir la savia, transformar y almacenar los alimentos y formar la estructura resistente o portante del árbol. 123




La heterogeneidad de la madera será, en parte, la causa de sus propiedades. Se puede considerar la madera como un conjunto de células alargadas en forma de tubos, paralelos al eje del árbol, muy variables, tanto en longitud y forma, como en el espesor de sus paredes y en las dimensiones interiores. Estas células están unidas entre sí por una sustancia llamada materia intercelular o laminilla media, y a su vez trabadas por otro tipo de células, colocadas perpendicularmente a las anteriores y en el sentido radial del tronco, formando los llamados radios leñosos. La variedad de tipos de células y la forma de unirse, definen la infinidad de especies diferentes de madera que existen. Las paredes de los tubos están formadas por una serie de capas compuestas por microfibrillas de celulosa enrolladas helicoidalmente alrededor del eje con inclinación diferente en cada capa, y todas ellas, embebidas en un material amorfo. Prácticamente insoluble, que es la lignina. Es muy habitual asimilar estas células a un pilar hueco de hormigón armado, en la que la lignina, hace las veces de hormigón y las microfibrillas de celulosa las del acero.

Todo ello hace de la madera un material resistente y ligero, que puede competir favorablemente con otros materiales utilizados en la construcción, en cuanto a la relación resistencia-peso específico. En el sentido axial distinguimos: -

Fibras alargadas, de pared gruesa formadas por células que se han prolongado afinándose en las puntas, constituyendo los tejidos de sostén, es decir, la estructura y la parte resistente de la madera (tejido fibroso). En las coníferas estas células son las mismas que sirven para permitir la circulación de los fluidos.

-

Vasos y poros de pared delgada (tejido vascular), formando los órganos de conducción o vehículo de la savia ascendente o bruta; los poros de la madera aparecen en sección transversal (pequeños agujeros), y en sección longitudinal (pequeñas estrías).

-

Células de parénquima, son cortas y poco abundantes. Difunden y almacenan en todo el espesor del árbol la savia descendente o elaborada. El parénquima constituye una especie de tejido conjuntivo (tegumental o de defensa), que vincula entre sí a los otros tejidos y que está formado por células poliédricas de paredes celulósicas delgadas y esponjosas.

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Esta especialización entre estructura y función sólo existe en los árboles frondosos; en los resinosos, todas las fibras son de carácter especial, llamadas traqueidas, de paredes más o menos espesas según la época del año en que se han formado. En el sentido radial hay menos células, y estas se disponen por bandas o láminas delgadas (radios medulares), intercaladas entre las fibras y los vasos, a los que cruzan en ángulo recto, dirigiéndose desde la corteza hasta el centro del árbol. En esas bandas de células llamadas radios celulares o mallas, almacenan y difunden, como las células del parénquima, las materias nutritivas que arrastra la savia descendente. En ciertas especies se encuentran en ambos sentidos, axiales y radiales, unos canales secretores de resina. De lo dicho anteriormente se desprende que la madera es un material heterogéneo y anisótropo, por tanto, sus propiedades variarán según la dirección que se considere.

2. PROPIEDADES QUÍMICAS DE LA MADERA: La composición química, normal de la madera es la siguiente:  Celulosa 50.0% a 60.0%  Lignina 20.0% a 30.0%  Proteína 0.5% a 3.0%  Resinas y ceras 0.7% a 3.0%  Cenizas 0.2% a 2.0% La celulosa (C6H10O5) es un material incoloro, insoluble en los solventes ordinarios tales como agua, alcohol, ácidos y álcalis diluidos; forma las paredes celulares, siendo las células los elementos fundamentales de la madera. La Lignina es también insoluble en la mayoría de los solventes ordinarios; pero es más o menos soluble en los álcalis diluidos; constituye el material cementaste que agrupa las células, y está mezclada con la celulosa en las paredes celulares. Las fibras del algodón son casi celulosa pura, pues contienen aproximadamente 91% de celulosa. En cuanto a la lignina, diremos que constituye la madera o esqueleto interior de los vegetales y sirve para sostenerlos, es la sustancia que da dureza a la cáscara de la nuez.

3. PROPIEDADES FÍSICAS DE LA MADERA a. Color: Es muy variado, es claro en las maderas blandas, llamadas también por este motivo blancas; es más pronunciado en las maderas duras, pudiendo ser amarillas, rosáceas, rojas, morenas, pardas verdes y negras. b. Dureza: Se determina por el ensayo de Brinell. Consiste en someter a la madera a la presión ejercida por una bolita de acero de 1cm de diámetro durante 1 minuto. El ensayo se realiza en una máquina de diseño especial, en la cual la bolita recibe la presión ejercida por un pistón, accionado por una prensa hidráulica o de mano. La presión generalmente usada es de 3,000Kg. De acuerdo con los resultados de los ensayos, las maderas se

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clasifican en duras, semi-duras y blandas. A continuación se dan algunos tipos característicos: - Maderas duras : Roble, haya, fresno, olmo - Maderas semi-duras : Pino, alerce, aliso - Maderas blandas : Abeto, abedul, álamo c. Peso específico: Se determina ensayando aserrín muy fino y secado a 100 y 105°C, es prácticamente el mismo para todas las maderas, teniendo en promedio un valor de 1.55. d. Densidad: Varía con la clase de madera, desde 1.32 para las pesadas, hasta 0.11 para el palo de balsa, que es una de las más ligeras. El peso de la madera influye de una manera decisiva la humedad que contiene al momento de pesarla. e. Grado de humedad: El agua se halla en la madera en tres formas: Constituye el 90% del protoplasma de las células vivas Satura las paredes de las células Llena más ó menos completamente los poros de la masa de la madera. Por será razón, se comprende que sólo quemándola se puede eliminar el agua de la madera en forma absoluta. En vista de esta dificultad se ha convenido en expresar la humedad como el volumen de agua que contiene una probeta o muestra de madera, comparándola al peso de la misma probeta secada a 100°C y en estas condiciones se expresa la siguiente clasificación: -

-

Madera Verde: Es la madera cuyo contenido de humedad es superior al 30%. Madera semi-seca: Es la madera cuyo contenido de humedad está comprendido entre 30 y 15%. Madera seca: Es aquella cuyo contenido de humedad es inferior al 15%.

Generalmente las maderas recién cortadas pesan alrededor de 1.8 veces más que secas. f.

Conductibilidad: Las maderas son malas conductoras del calor, principalmente las livianas por tener mayor volumen de poros, y en consecuencia mayor cantidad de aire en su interior. Son malas conductoras de la electricidad; pudiéndose considerar como aislantes cuando están secas. Son buenas conductoras del sonido. g. Dilatación por el calor: En la madera seca es insignificante, sobre todo en la dirección del eje del tronco. h. Contracción o hinchamiento: Cuando una pieza de madera fibrosa seca, se contrae, las paredes de las fibras se vuelven muy delgadas, y las cavidades por el contrario aumentan de volumen pero en general la longitud de la pieza permanece contante porque la mayoría de las fibras son paralelas a la longitud del tronco, en cambio en sección transversal lo hace de manera notable. La contracción longitudinal de la madera en el sentido de las fibras es solo de 1 por 1,000, mientras que a lo ancho puede ser de 3 a 6 y hasta 10 por 100, según la clase de madera; en esta última dirección, las maderas que se contraen menos son las que pertenecen al orden de las coníferas livianas tales como pinos y cedros, y la que se contrae más la correspondiente a maderas duras, como la haya, roble, etc. 126




La acción opuesta a la contracción por desecación, es el Hinchamiento o expansión, por absorción de agua. Este aumento de volumen se debe tener en cuenta en el diseño estructural, pues cuando se produce, desarrolla en la madera esfuerzos muy considerables. Es bastante conocido el antiquísimo método de partir rocas perforando en ellas pequeños taladros, en línea en los que se introducen cuñas de madera, que se mojan, el hinchamiento de está es suficiente para partir la roca en la dirección deseada. 4. CUALIDADES FÍSICO – QUÍMICAS DE LA MADERA a. Potencia calorífica: De las maderas secas es prácticamente la misma, y puede fijarse como promedio aproximado de 4,500 Cal/kg en las maderas resinosas, como las de la clase del pino, o muy compactas, puede llegar hasta 5,000cal/kg. b. Volatilidad: Cuando se emplea la madera como combustible, y en la gasificación, la volatibilidad es característica muy importante, porque ella regula las dimensiones de los hogares, que deben ser mayores en aquellos combustibles volátiles. 5. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA a. Flexibilidad: Los árboles de poca edad y recién apeados presentan el máximo de flexibilidad, como consecuencia de la humedad que contiene. Así mismo, la madera de árboles jóvenes admite mayor deformación que los de cierta edad. Las maderas secas y viejas no tolerarán sobrecargas ni sacudidas violentas, circunstancias que debe tenerse en cuenta en la construcción de andamios y de la llamada obra falsa. b. Consideraciones generales sobre la resistencia de la madera: Desde el punto de vista estructural, las diversas resistencias de la madera que interesa son: a la tensión, a la compresión, al esfuerzo cortante y a la flexión. -

Resistencia a la tensión: La resistencia de las piezas a la tensión, cuando el esfuerzo se realiza transversalmente a las fibras se debe a la posición que ofrecen éstas al separarse, la que es vencida cuando la pieza falla, igualmente si la pieza cede cuando el esfuerzo se realiza paralelo a la dirección de las fibras, la rotura casi siempre es ocasionada por esfuerzos de este género.

-

Resistencia a la compresión: Cuando se realiza en dirección longitudinal a las fibras, estas trabajan como si fueran columnas huecas. En sentido transversal a la longitud, la pieza tiende a achatarse, cuando sufre esfuerzos, de este género.

-

Resistencia al esfuerzo cortante: Su valor en relación con el sentido de las fibras, en cuanto a su variación, es contrario a lo que se ha dejado establecido par a la tensión comprensión; pues en el esfuerzo cortante la resistencia de la madera es de 4 a6 veces mayor en dirección perpendicular a las fibras, que cuando el esfuerzo se realiza en el sentido de ellas.

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-


Resistencia a la flexión: El comportamiento de la madera en esta resistencia es una consecuencia de lo expresado al tratar de las resistencias a la tensión, compresión y esfuerzo cortante. Las vigas raramente ceden por esfuerzos de compresión aunque cuando comienzan a romperse lo hacen por estos esfuerzos, son pues los esfuerzos de tensión aquellos que llegan al límite cuando falla una viga.

6. EXPLOTACIÓN Y MANUFACTURA DE LA MADERA a. Explotación forestal: - Tala, derribo o apeo de los árboles - Poda o corta de ramas delgadas y hojas - Trozado de los troncos gruesos, en dimensiones apropiadas para ser transportados a los aserraderos. Los árboles se derriban por medio de hachas y sierras, estas últimas se llaman corrientemente corvinas, cuando son manejables a mano, existiendo también máquinas portátiles con los cuales se derriban los árboles con sierras mecánicas. Los sistemas de acarreo de las trozas y rollizos son muy variados: Dejando rodar los troncos por planos o senderos inclinados, muchas veces pavimentos los cuales se llaman rodaderos. En trineos y plataforma de ruedas bajas halados a sangre o con tractores mecánicos. Transporte por agua aprovechando cursos naturales o canalizados, por cables aéreos y por último por carretas, camiones, vías férreas, etc. b. Aserrado de la madera: Es la operación realizada en aserraderos. Los troncos son cortados por medio de sierras circulares, o por sierras de cinta, también se llaman a estas últimas sierras de bastidor o de carro, porque los rollizos son colocados en un dispositivo con movimiento de traslación, que los empuja hacia la sierra. -

En lenguaje corriente las distintas maneras de aserrar un tronco se llaman: -

-

Corte transversal o de testa.- realizado en dirección perpendicular al eje mayor del tronco, muestra la corteza, albura, duramen, etc. Corte longitudinal, diametral o de madera al corazón.- que es aquel que se hace por un plano que pasa por el eje longitudinal del tronco y que permite apreciar la fibrosidad de la madera. Corte tangencial o de madera al hilo.- que se ejecuta según una cuerda a los anillos de crecimiento y que muestra también la disposición de las fibras. Terminología de la madera trabajada

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Los términos más usados en los aserraderos y en los establecimientos industriales conocidos entre nosotros son: -

-

Grueso: Es la menor dimensión del paralelepípedo rectangular que representa la sección transversal de una pieza. Ancho: Es la mayor dimensión del paralelepípedo rectangular que representa la sección transversal de una pieza. Escuadría: Es el conjunto de las expresiones numéricas del grueso y del ancho de la sección transversal de una pieza. Se expresa generalmente en pulgadas inglesas. Listón: Pieza de grueso inferior o igual a 1-1 2“, y ancho inferior a 4” Tabla: Pieza de grueso inferior o igual a 1-1 2“, y ancho igual o superior a 4” Tablón: Pieza de grueso superior o igual a 1-1 2“, y ancho superior a 4” Cuartón: Pieza cuyo grueso y ancho varía entre 2” y 6” Viga: Es una pieza aserrada o cepillada de grueso y ancho igual o superior a 12”. Tincas: Troncos o rollizos de 1.50m de largo más o menos derechos y con diámetros en la base media de 10 a 18cm, incluyendo la corteza. Putales: rollos o troncos de 2.00 a 2.50m de largo y de 20 a 25cm de diámetro medio. Durmientes o cuartones: Trozas de 2.50m de largo con diámetros de 30cm para arriba, de modo de proporcionar cuartones de 15x20cm de escuadría.

De acuerdo con la forma como se ha manufacturado la madera se tiene: Madera labrada: La que ha sido trabajada y escuadrada con hacha y azuela. Madera Aserrada: La que se presenta tal como ha salido de la sierra. Madera acepillada: La madera aserrada cuyas caras han sido alisadas por herramientas de filo llamadas cepillos Madera moldurada: La acepillada según perfil determinado con fines ornamentales. Madera machimbrada: Las tablas acepilladas con sus cantos provistos de ranuras y lengüetas, respectivamente para su ensamble longitudinal. Madera junquillada: Los cuartones y vigas cepilladas que presentan en una de sus caras de ancho una ranura longitudinal hacia cada canto, hecha con fines ornamentales Madera de cantos boleados: Aquella que presenta una ó varias aristas redondeadas o biseladas. Madera traspalada: La taba que en sección transversal presenta la forma de una cuña.

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CAPITULO XIV ACERO El Acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0,05% hasta menos de un 2%). Algunas veces otros elementos de aleación específicos tales como el Cr (Cromo) o Ni (Níquel) se agregan con propósitos determinados. Ya que el acero es básicamente hierro altamente refinado (más de un 98%), su fabricación comienza con la reducción de hierro (producción de arrabio) el cual se convierte más tarde en acero. El hierro puro es uno de los elementos del acero, por lo tanto consiste solamente de un tipo de átomos. No se encuentra libre en la naturaleza ya que químicamente reacciona con facilidad con el oxígeno del aire para formar óxido de hierro - herrumbre. El óxido se encuentra en cantidades significativas en el mineral de hierro, el cual es una concentración de óxido de hierro con impurezas y materiales térreos. 1. CLASIFICACIÓN: Los aceros se clasifican, principalmente, desde tres puntos de vista: A.

Por el método de manufactura o proceso metalúrgico:

Por carburación del hierro forjado:  

Acero al crisol. Acero de cementación.

Por descarburación del hierro cochino:    

Acero Bessemer. Acero Martín-Siemens. Acero Eléctrico, Acero duplex, triples, etc.

B.

Por empleo del acero.  Acero de remaches.  Acero estructural.  Acero para ejes.  Acero para cables.

C.

Por la composición química del acero:

Según el porcentaje de Carbono:  Acero suave  Acero medio 130


0.10 a 0.20 % 0.20 a 0.40 %


 Acero duro  Acero muy duro


0.40 a 0.70 % 0.70 a 1.50 %

Por las aleaciones especiales:  Acero al níquel  Acero al manganeso, etc. 2. ELEMENTOS QUÍMICOS QUE LE CONFIEREN CIERTAS PROPIEDADES AL ACERO  Azufre: Se encuentra en los aceros como impureza, se toleran porcentajes hasta un 0.05 %, en caliente produce una gran fragilidad del acero, sus efectos perjudiciales pueden neutralizarse en parte con la adición del manganeso, que se combina con él formando sulfuro de manganeso. A veces se adiciona en proporciones de 0.1 a 0.3 % con un contenido mínimo de manganeso de 0.6 %, dando lugar a aceros llamados de fácil mecanización, que tienen menor resistencia, pero pueden ser trabajados con velocidades de corte doble que un acero corriente.  Cobalto: Se usa en los aceros rápidos para herramientas, aumenta la dureza de la herramienta en caliente. Se utiliza para aceros refractarios. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros.  Cromo: Forma carburos muy duros y comunica al mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, proporciona a los aceros características de inoxidables y refractarios.  Manganeso: Se utiliza fundamentalmente como desoxidante y desulfurante de los aceros.  Molibdeno. Junto con el carbono es el elemento más eficaz para endurecer el acero. Evita la fragilidad.  Níquel: Aumenta la resistencia de los aceros, aumenta la templabilidad proporciona una gran resistencia a la corrosión.  Plomo: El plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de pequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácil mecanización por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, el porcentaje oscila entre 0.15 y 0.30 % debiendo limitarse el contenido de carbono a valores inferiores al 0.5 % debido a que dificulta el templado y disminuye la tenacidad en caliente.  Silicio: Se emplea como desoxidante en la obtención de los aceros, además les proporciona elasticidad. Si la proporción es elevada (1 a 5%) los aceros tienen buenas características magnéticas.  Tungsteno: Forma con el hierro carburos muy complejos estables y durísimos, soportando bien altas temperaturas. En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los que es posible triplicar la velocidad de corte de loa aceros al carbono para herramientas.  Vanadio: Posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos complejos con el hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas. 131




3. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS a. Ductilidad: Es la elongación que sufre la barra cuando se carga sin llegar a la rotura. Las especificaciones estipulan que el estiramiento total hasta la falla, no sea menor que cierto porcentaje mínimo que varía con el tamaño y grado de la propia barra. b. Dureza: Se define como la propiedad del acero a oponerse a la penetración de otro material c. Resistencia a la tensión: Es la máxima fuerza de tracción que soporta la barra, cuando se inicia la rotura, dividida por el área de sección inicial de la barra. Se denomina también, más precisamente, carga unitaria máxima a tracción. d. Límite de fluencia, fy: Es la tensión a partir de la cual el material pasa a sufrir deformaciones permanentes, es decir, hasta este valor de tensión, si interrumpimos el traccionamiento de la muestra, ella volverá a su tamaño inicial, sin presentar ningún tipo de deformación permanente, esta se llama deformación elástica. El ingeniero utiliza el límite de fluencia de la barra para calcular la dimensión de la estructura, pues la barra soporta cargas y sobrecargas hasta este punto y vuelve a su condición inicial sin deformación. Pasado este punto, la estructura esta fragilizada y comprometida. En general, en el caso de los aceros de dureza natural, el límite de fluencia coincide con el valor aparente de la tensión correspondiente al escalón de cedencia. En los casos en que no aparece este escalón o aparece poco definido, como suele ocurrir con los aceros estirados en frío, es necesario recurrir al valor convencional establecido en las prescripciones, como se explica más abajo, para aceros de resistencia mayor a 4200 Kg/cm2 Las barras con resistencias hasta 2800 Kg/cm2 presentan una curva elasto-plástica, como se ve en la figura Nº01a, entonces fy se 132


FIGURA 01 a) Diagrama Esfuerzo Deformación para Aceros de Dureza Natural Laminados en Caliente; b) curvas típicas esfuerzo-deformación unitarias para barras de refuerzo. Nota: Las curvas están indicadas según su límite de fluencia



identifica con claridad. Para aceros de resistencias mayores, hasta 4200 Kg/cm2, la curva esfuerzo-deformación unitaria puede ser elasto-plastica o no, dependiendo de las propiedades del acero y del procesos de fabricación. Para aceros de resistencias mayores a 4200 Kg/cm2, donde el grado de fluencia no está definido, el código ACI especifica que el esfuerzo de fluencia, fy, debe determinarse como el esfuerzo que corresponde a una deformación de 0.0035 cm/cm, tal como se muestra en la figura Nº 02.

FIGURA 02: Diagrama Esfuerzo Deformación para Aceros de resistencia mayor a 4200 kg/cm2

Probablemente, la resistencia en el punto de fluencia, es decir, el esfuerzo elástico máximo que puede soportar la barra, es la propiedad mecánica más importante para el diseñador. La resistencia a la tensión se controla por un límite sobre la resistencia en el punto de fluencia y esta no puede ser menor que 1.25 veces la resistencia real en el punto de fluencia. Si bien la tendencia actual, en la construcción con hormigón reforzado, es hacia el uso de barras de refuerzo con grado de resistencia más elevado, dado que el uso de estas conduce a una reducción significativa del tonelaje de acero y del tamaño de los miembros estructurales de hormigón, lo que da por resultado economía en la mano de obra y en otros materiales, se tiene un límite práctico sobre cuán fuerte debe ser el acero de refuerzo utilizado en una construcción estándar de Hormigón armado: Todas las resistencias del acero tienen aproximadamente la misma elongación para el mismo esfuerzo de tensión aplicado (mismo módulo de elasticidad Es=2.1x106 Kg/cm2). Si un acero tiene una resistencia en el punto de fluencia que es el doble de la de otro, puede aplicarse el doble de deformación permanente, esta se llama deformación elástica. 133




El ingeniero utiliza el límite de fluencia de la barra para calcular la dimensión de la estructura, pues la barra soporta cargas y sobrecargas hasta este punto y vuelve a su condición inicial sin deformación. Pasado este punto, la estructura esta fragilizada y comprometida. En general, en el caso de los aceros de dureza natural, el límite de fluencia coincide con el valor aparente de la tensión correspondiente al escalón de cedencia (figura Nº01 a). En los casos en que no aparece este escalón o aparece poco definido, como suele ocurrir con los aceros estirados en frío, es necesario recurrir al valor convencional establecido en las prescripciones, como se explica más abajo, para aceros de resistencia mayor a 4200 Kg/cm2. e. Maleabilidad: Es la capacidad que presenta el acero que soportar la deformación, sin romperse, al ser sometido a un esfuerzo de compresión. f.

Tenacidad: Viene siendo la conjugación de dos propiedades: ductilidad y resistencia. Un material tenaz será aquel que posee una buena ductilidad y una buena resistencia al mismo tiempo.

g. Fatiga: Cuando un elemento estructural se somete a cargas cíclicas, este puede fallar debido a las grietas que se forman y propagan, en especial cuando se presentan inversiones de esfuerzos, esto es conocido como falla por fatiga, que puede ocurrir con esfuerzos menores a la carga de deformación remanente. h. Límite de fatiga: Se evalúa en un diagrama Esfuerzo máximo (resistencia a la fatiga) vs. el número de ciclos hasta la falla, estos diagramas indican que la resistencia a la fatiga, de un acero estructural, decrece con un aumento de número de ciclos, hasta que se alcanza un valor mínimo que es el Límite de Fatiga. Con la tracción considerada como positiva y la compresión negativa, las pruebas también demuestran que a medida que disminuye la relación entre el esfuerzo máximo y el mínimo, se reduce de modo considerable la resistencia al a fatiga. Las pruebas indican además que los aceros con resistencia a la tracción semejante tienen casi la misma resistencia a la fatiga. Estas propiedades se determinan mediante la realización de diferentes pruebas o ensayos, para determinar qué material es el que emplearemos para el fin que le queramos dar. En la tabla Nº01, se dan algunas características mecánicas para diferentes grados y clases de aceros.

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Tabla Nº01 Características Mecánicas Mínimas del Acero

(1). AH = Acero para Hormigón (DN = Dureza Natural; EF = Estirado en Frío) (2). Para el cálculo de valores unitario se utilizará la sección nominal. (3). Relación mínima admisible entre los valores de la carga unitaria de rotura y del límite elástico, obtenidos en cada ensayo

4. ENSAYOS MECÁNICOS DEL ACEROS a. Ensayo de Doblado del Acero: Este ensayo mide la capacidad de la barra para doblarse hasta llegar a un doblez de radio mínimo sin agrietarse. Este ensayo sirve para obtener una idea aproximada sobre el comportamiento del acero a la flexión o esfuerzo de doblado, necesaria para prevenir roturas frágiles durante las manipulaciones de doblado y transporte. Se comienza el ensayo, colocando la pieza sobre dos apoyos, cuya separación está normalizada. Se aplica luego una fuerza controlada y que aumenta paulatinamente hasta que la barra se dobla completamente o comienzan a aparecer las primeras grietas (figura Nº03). Figura Nº03

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b. Ensayo de Tracción: Debido a la gran cantidad de información que puede obtenerse a partir de este ensayo, es sin duda alguna, uno de los test mecánicos más empleados para el acero. La versatilidad del ensayo de tracción radica en el hecho de que permite medir al mismo tiempo, tanto la ductilidad, como la resistencia. El valor de resistencia es directamente utilizado en todo lo que se refiere al diseño. Los datos relativos a la ductilidad, proveen una buena medida de los límites hasta los cuales se puede llegar a deformar el acero sin llegar a la rotura. Este ensayo consiste es someter una barra, de sección uniforme y conocida, a una fuerza de tracción que va aumentando progresivamente. En forma simultánea se van midiendo los correspondientes alargamientos de la barra. La figura Nº04 muestra un esquema de una máquina para ensayos de tracción, en la que se estira la barra a una velocidad constante. Con los resultados de la elongación de la barra, se puede graficar una curva de carga contra alargamiento, que generalmente se registran como valores de esfuerzo y deformación unitarios, y son independientes de la geometría de la barra (figura Nº05) Figura Nº05

Figura Nº04 Al iniciarse el ensayo, el material se deforma elásticamente; esto significa que si la carga se elimina, la muestra recupera su longitud inicial. Cuando el esfuerzo alcanza su máximo valor de resistencia a la tensión, se forma en la barra una estricción o cuello (figura Nº06), la cual es una reducción localizada en el área de la sección transversal, en la que se concentra todo el alargamiento posterior.Una vez formado este cuello, el esfuerzo disminuye al aumentar la deformación y continúa disminuyendo hasta que la barra se rompe.

Figura Nº06

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c. Determinación del alargamiento: Alargamiento es el porcentaje que el acero se alarga cuando es sometido a una carga que pase su Límite de Fluencia. La determinación del Alargamiento se hace por la comparación entre la distancia entre dos marcas hechas en la barra antes del ensayo, denominado largo inicial L 0, y la distancia entre las dos marcas después que se rompe la barra, denominado largo final L1 (figura Nº06). El largo inicial utilizado es 10 veces el diámetro nominal. d. Ensayo de Adherencia por Flexión del Acero: La probeta para el ensayo de adherencia por flexión consiste en dos medias viguetas de hormigón armadas con una barra embebida en sus extremos y unidas por una rótula metálica en la zona de compresión (figura 7). La barra va provista de manguitos de plástico que dejan, en cada semiviga, una longitud adherente de 10Ø. Figura Nº07 Esquema de la probeta para el ensayo de adherencia por Flexión

Con esta disposición se obtienen tres ventajas importantes: se anula el efecto local de apoyos; se conoce con precisión la tensión en la armadura, al conocer exactamente el brazo del par interno; y se obtienen dos resultados por ensayo. En los extremos de las barras se colocan comparadores para medir deslizamientos. En el ensayo se determinan los valores τ0,01; τ0,1 y τ1 de las tensiones en la barra que corresponden a deslizamientos de 0,01; 0,1 y 1 milímetros, respectivamente; así como el valor máximo de la tensión de rotura de adherencia, t bu , que corresponde a un deslizamiento de 3 mm, o a la rotura si esta se produce antes. Se denomina tensión media de adherencia t bm a la media aritmética de los tres valores τ0,01; τ0,1 y τ1. Debe verificarse (ver tabla Nº02). Si dichas relaciones se satisfacen simultáneamente, en cada rango de diámetros, la barra es calificada como de “alta adherencia” o de “adherencia mejorada”

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Tabla Nº 02 Características de Adherencia, valores, mínimos

e. Ensayo de Dureza del Acero (El Método Brinell y El método Rockwell): El ensayo de dureza mide la resistencia de un material a la penetración de un punzón o una cuchilla. Este penetrador es también llamado durómetro. El durómetro usualmente consta de una esfera, pirámide o un cono de un material mucho más duro que el acero que se está midiendo. La profundidad hasta la cual penetra este material nos entrega un valor, el que está tabulado, obteniéndose así una medida de la dureza del acero. Dado que el ensayo de dureza puede hacerse fácilmente, la información obtenida puede ser evaluada inmediatamente. Existen varios métodos para medir la dureza, a continuación nombraremos los dos más comunes, el método Brinell y El método Rockwell.  Dureza Brinell (ASTM E10): En él, una esfera de 10 mm de diámetro, usualmente de un acero endurecido, se presiona contra la superficie del material bajo una carga estática de 3000 kg. El tamaño de la huella nos entrega una medida de la dureza bajo las condiciones del ensayo. Figura Nº07 Aparato de Brinell

 Dureza Rockwell (ASTM E18): A diferencia del anterior, en el test de Rockwell se aplica primero una carga pequeña (de menos de 10 kg), lo que hace que el indentador penetre hasta una cierta profundidad. Luego se aplica la carga mayor predeterminada. La diferencia en la penetración nos entrega una medida de la dureza del acero.

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Figura Nº08 Aparato de Rockwell

f.

Ensayo de impacto: Utilizado para medir la tenacidad del acero. E n esta prueba, una probeta especial del acero en cuestión, es sometida a un fuerte impacto instantáneo, producto del cual ésta se rompe muy rápidamente (véase Figura N° 09). Este hecho entrega una medida de la energía que se debe aplicar para su fractura, lo que se traduce en un índice de su tenacidad. Si bien los resultados de los ensayos de impacto no se utilizan directamente para el diseño, son muy útiles como herramienta de la producción, ya que permiten la comparación de un acero con otro que ha dado resultados satisfactorios. Existen dos tipos de ensayo que han alcanzado gran difusión: Charpy e Izod.

Figura Nº09 Esquema de la máquina de Charpy

g. Ensayo de doblado: Este ensayo sirve para obtener una idea aproximada sobre el comportamiento del acero a la flexión o esfuerzo de doblado. Se comienza el ensayo, colocando la pieza sobre dos apoyos, cuya separación está normalizada. Se aplica luego, una fuerza controlada y que aumenta paulatinamente hasta que la probeta se dobla completamente o comienzan a aparecer las primeras grietas (véase Figura N° 10).

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Figura Nº10 Esquema del ensayo al doblado

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