Perfil del Egresado “El ingeniero civil es el profesional con la capacidad, los conocimientos necesarios para participar en la planeación, el diseño, la construcción, la operación y el mantenimiento de las obras para el desarrollo urbano, industrial, habitacional y de la infraestructura del país, considerando los aspectos metodológicos, social, económico, técnico y ecológico, bajo una perspectiva ética y buscando el aprovechamiento optimo de los recursos existentes en el lugar de la obra“

CURSO: MATERIALES PARA INGENIERIA CIVIL

OBJETIVO DE LA ASIGNATURA: El alumno será capaz partiendo de las relaciones entre la estructura de los materiales y sus propiedades de identificar usos y transformaciones en donde el procesamiento se controle para obtener materiales de construcción con aplicaciones a productos útiles de ingeniería con diversas propiedades, en una obra de ingeniería civil.

El alumno identificará la estructura de los materiales, predecirá su comportamiento mecánico, seleccionara su utilización o transformación para hacer realidad un proyecto de ingeniería.

DATOS DE PROGRAMACIÓN

UNIDAD I.- ESTRUCTURA DE MATERIALES Y PROPIEDADES MECANICASOBJETIVO.- ANALIZAR LAS PROPIEDADES DE LA ESTRUCTURA MICROSCOPICAS Y RELACIONADASTEMAS

1.1. ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES1.2.- PROPIEDADES MECANICAS Tiempo destinado: 2 ½ semanas

UNIDAD II.- CONTROL DE CALIDAD EN LOS MATERIALESOBJETIVO.- NORMATIVIDAD PARA ASEGURAR E INFERIR LA CALIDAD DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCIÓN Y EDIFICACIÓNTEMAS

2.1. CERTIFICACIÓN Y NORMATIVIDAD2.2. CONTROL ESTADÍSTICO DE PROCESOS Tiempo destinado: 1 ½ semana

UNIDAD III.- MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN OBJETIVO.- CONOCER LAS ESPECIFICACIONES Y NORMAS APLICADAS A LOS MATERIALES UTILIZADOS EN LOS PROYECTOS DE INGENIERIA PARA ASEGURAR E INFERIR SU CALIDAD.TEMAS

3.1.ROCAS y SUELOS3.2.AGLOMERANTES.3.3.CONCRETO HIDRÁULICO Y ASFÁLTICO (dosificaciones de mezclas).3.4.METALES3.5.CERAMICA Y VIDRIO3.6.MADERA.3.7.PRODUCCION DE POLIMEROS3.8.MATERIALES COMPUESTOS. Tiempo destinado:

12 semanas

PRACTICAS PROGRAMADAS PARA EL CURSO: MATERIALES PARA INGENIERIA CIVIL.

Semana Objetivo Bibliografía1. Estructura de

los materiales

- Determinar la densidad relativa de los materiales, masa volumétrica seca y masa volumétrica natural de dos Materiales

2. Propiedades mecánicas en materiales

- Ensaye a compresión en especimenes de roca y suelo. Comparar los esfuerzos a compresión, y gráficas esfuerzo-deformación

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3. Propiedades en agregados minerales.

Determinación del RQD % de desgaste método los Ángeles

Manual CFENormas SCT, Tomo IX

parte I4. Propiedades físicas de agregados minerales

Obtener la curva granulométrica en gravas y arenasDeterminación del MF en arenas y contenido de materia orgánica.

NMX C – 73NMX C –77

NMX C – 165

5. Propiedades físicas de agregados minerales

Mezcla de agregados pétreos para cumplir con los requisitos de la norma Materiales Pétreos para carpetas asfálticas

N-CMT-4-04-03 de la SCT

6. Aglomerantes Agua de consistencia normal y Determinación de la resistencia a compresión en cementantes hidráulicos.

Tomo IX parte II SCT, NMX-C-061 ONNCCE-

2001.

7. Concreto asfáltico

Elaboración de especímenes Marshall y ensaye de cubos de cementantes hidráulicos

Tomo IX Parte Primera, Normas de Construcción de la S.C.T., Pag. 354-

365.8. Propiedades de mezclas con aglomerantes.

Ensaye de cubos de cementantes hidráulicos Determinación de estabilidad y flujoEstructura en mezcla de materiales

9. Dosificación de concreto hidráulico

Procedimiento teórico.ACI-318

10. Dosificación de concreto asfáltico

Dosificación de mezcla de concreto hidráulico, propiedades en estado fresco.

NMX-C- 156NMX-C-161

11. Metales Revisión de propiedades mecánicas en aceroEnsaye a tensión en placa de acero

NOM B – 434NOM B –310

12. Cerámicas Revisión de propiedades físicas y mecánicas de cerámicos tradicionales.

Tomo IX parte I Normas SCT

13. Madera – Polímeros

Ensaye a tensión, cortante y compresión en maderaRevisión de propiedades mecánicas en madera-polímeros

Tomo IX parte IV Normas SCT

14. Concreto Hidráulico Endurecido

Ensaye a compresión de especímenes de concreto Ensaye a flexión y tensión en especímenes de concreto

NMX C – 109 y 83NMX C – 191NMX C – 163

ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES.

El conocimiento de la estructura de un material permite prever, hasta cierto punto, su comportamiento. También permite optimizar el material para la aplicación prevista o incluso encontrar nuevas aplicaciones

La estructura íntima de la materia, las características de sus uniones atómicas y cristalinas, constituyen la base sobre la cual se puede entender los materiales y diseñar sus propiedades con un fin determinado.

Los materiales sólidos poseen una estructura interna compleja debido a las interacciones fuertes que se establecen entre sus átomos y moléculas. Su estudio científico data de fines del siglo XIX.

A fines del ese siglo Röetgen descubre los rayos X (o rayos Röetgen) y comienza su febril aplicación al estudio de los materiales. La mayor parte de los materiales tienen una estructura interna ordenada, en la forma de cristales. Todos ellos producen un espectro, al ser estudiados con rayos X, característico de esa estructura cristalina o aún de su ausencia.

El próximo avance fue la invención de los microscopios electrónicos de barrido focalizados por lentes magnéticas de modo de producir imágenes de altísima definición.

El siguiente avance ha sido los microscopios de fuerza atómica, iónico, de efecto de campo, etc.. Todos basados en la extraordinaria capacidad de la microelectrónica actual para posicionar sondas de análisis en las inmediaciones de las superficies de los materiales.

Todas esas técnicas contribuyen en su medida al estudio microscópico de los materiales. La estructura interna de los mismos, sus defectos, los aleantes, los precipitados, impurezas, etc.,

Como es sabido toda la materia esta formados por átomos que se hallan constituidos por núcleos pesados, conformados por neutrones y protones, y electrones, mucho más livianos, orbitando a relativamente grandes distancias del núcleo. Como hay tantos electrones como protones los átomos son naturalmente neutros, dado que electrones y protones poseen cargas eléctricas iguales y de signos opuestos.

Además los electrones no conforman una nube informe alrededor de los núcleos sino que se disponen en órbitas bastante bien definidas con distancias variables, dependiente del número de electrones que posee el átomo.

Los metales (Sólidos cristalinos) tienen pocos electrones en sus órbitas exteriores. En esas condiciones, cuando se hayan conformando un sólido con otros átomos iguales, tienden a satisfacer su neutralidad compartiendo esos electrones con sus vecinos en una nube electrónica que se mueve más o menos libremente en todo el sólido.

Ante el menor campo eléctrico externo estos electrones tienden a moverse rápidamente y por eso los metales son buenos conductores eléctricos.

Los no metales (Sólidos amorfos) en cambio tienen sus órbitas exteriores pobladas por varios electrones (3, 4 o 5) y tienden a combinarse formando compuestos en los cuales las uniones son muy direccionales y los electrones se hayan muy localizados y amarrados a átomos individuales.

Los campos eléctricos aplicados son generalmente no suficientes para arrancarlos de sus posiciones y estos materiales constituyen buenos aislantes eléctricos.

La disposición de los átomos de un cristal metálico muestra un arreglo periódico embebido en un mar de electrones siempre dispuestos a flotar libremente por todo el cristal. En esas

condiciones las uniones no son para nada direccionales y ante una tensión aplicada en una grieta los átomos deslizan entre sí y la grieta se ensancha en forma dúctil.

En cambio la estructura de los cerámicos posee uniones muy fuertes que prefieren, ante una solicitación externa en una grieta, romperse antes que deslizar. La grieta tiende a progresar catastróficamente y a atravesar el material de una forma característica de una rotura frágil.

Así como ésta, muchas propiedades pueden explicarse por medio de argumentos, más o menos complicados, basados en el conocimiento íntimo de los materiales. Ese conocimiento permite llevar la aplicación de los materiales a límites insospechados.

PROPIEDADES MECANICAS.

Una clasificación parcial de las propiedades de los materiales de ingeniería se presenta en el cuadro siguiente:  

Clasificación de las propiedades de los materiales de ingeniería.

CLASE PROPIEDAD

Físicas

Dimensiones y forma

Densidad o gravedad específica

Porosidad

Contenido de humedad

Químicas

Oxido o composición compleja

Acidez o alcalinidad

Resistencia a la corrosión o a la intemperie

Mecánicas

Resistencia: tensión, compresión, cortante, flexión, impacto, tenacidad

Rigidez

Elasticidad y plasticidad

Ductilidad y fragilidad

Dureza y resistencia al desgaste

Térmicas

Calor específico

Expansión

Conductividad

Eléctricas y Magnéticas

Conductividad

Permeabilidad magnética

Acción galvánica

AcústicasTransmisión del sonido

Reflexión del sonido

Ópticas

Color

Transmisión de la luz

Reflexión de la luz

Las propiedades mecánicas pueden definirse como aquellas que tienen que ver con el comportamiento de un material bajo fuerzas aplicadas. Las propiedades mecánicas se expresan en términos de cantidades que son funciones del esfuerzo o de la deformación o ambas simultáneamente.

Las propiedades mecánicas fundamentales son la resistencia, la rigidez, la elasticidad, la plasticidad y la capacidad energética.

La resistencia de un material se mide por el esfuerzo según el cual desarrolla alguna condición limitativa específica. Las principales condiciones limitativas o criterios de falla son la terminación de la acción elástica y la ruptura.

La rigidez tiene que ver con la magnitud de la deformación que ocurre bajo la carga; dentro del rango del comportamiento elástico, la rigidez se mide por el módulo de elasticidad.

La elasticidad se refiere a la capacidad de deformación en el rango elástico de un material, esto es la capacidad de recuperar sus características iniciales al retirar el esfuerzo.

El término plasticidad se usa para indicar la capacidad de deformación plástico sin que ocurra ruptura.

La capacidad de un material para absorber energía elástica depende de la resistencia y la rigidez; por ejemplo, la capacidad energética en el rango de acción elástica se denomina resiliencia; la energía requerida para romper un material se denomina tenacidad.

En el ensayo mecánico de probetas preparadas hay cinco tipos primarios de cargas: tensión, compresión, cortante, torsión y flexión.

ESFUERZO Y DEFORMACIÓN

El esfuerzo se define como la magnitud de las fuerzas internas que resisten un cambio en la forma de un cuerpo. Esta en términos de fuerza por unidad de área. Existen tres clases básicas de esfuerzos: Tensión, compresión y corte.

La deformación se define como el cambio de forma de un cuerpo, el cual se debe al esfuerzo, al cambio térmico, al cambio de humedad o a otras causas.

La deformación se supone como un cambio lineal y se mide en unidades de longitud.

En los ensayos de torsión se mide la deformación cómo un ángulo de torsión entre dos secciones especificadas.

Cuando la deformación se define como el cambio por unidad de longitud en una dimensión lineal de un cuerpo, se denomina deformación unitaria. e = e / L

donde,

e : es la deformación unitaria

e : es la deformación

L : es la longitud del elemento

Relación entre la deformación unitaria y la deformación.

Si un cuerpo es sometido a esfuerzo de tensión o compresión en una dirección dada, no solo ocurre deformación en esa dirección (dirección axial) sino también deformaciones unitarias en direcciones perpendiculares a ella (deformación lateral). Dentro del rango elástico la relación entre las deformaciones lateral y axial en condiciones de carga uniaxial es denominada relación de Poisson.

DEFORMACIÓN ELÁSTICA Y PLÁSTICA

Cuando una pieza se somete a un esfuerzo, se produce una deformación del material. Si el material vuelve a sus dimensiones originales cuando la fuerza cesa se dice que el material ha sufrido una DEFORMACIÓN ELASTICA.

El número de deformaciones elásticas en un material es limitado ya que aquí los átomos del material son desplazados de su posición original, pero no hasta el extremo de que tomen nuevas posiciones fijas. Así cuando la fuerza cesa, los átomos vuelven a sus posiciones originales y el material adquiere su forma original.

Si el material es deformado hasta el punto que los átomos no pueden recuperar sus posiciones originales, se dice que ha experimentado una DEFORMACIÓN PLASTICA

ELASTICIDAD

La elasticidad es aquella propiedad de un material por virtud de la cual las deformaciones causadas por el esfuerzo desaparecen al retirarles dicho esfuerzo.

Algunos materiales, como el hierro fundido, el concreto, y ciertos metales no ferrosos, son imperfectamente elásticos aun bajo esfuerzos relativamente reducidos, pero la magnitud de la deformación permanente bajo carga de poca duración es pequeña, de tal forma que para efectos prácticos el material se considera como elástico hasta magnitudes de esfuerzos razonables.

Una medida cuantitativa de la elasticidad de un material podría lógicamente expresarse como el grado al que el material puede deformarse dentro del límite de la acción elástica; pero, pensando en términos de esfuerzos, un índice práctico de la elasticidad es el esfuerzo que marca el límite del comportamiento elástico.

Para medir la resistencia elástica, se utiliza el concepto de proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación conocido como Ley de Hooke.

RIGIDEZ

La rigidez tiene que ver con la deformabilidad relativa de un material bajo carga. Se le mide por la velocidad del esfuerzo con respecto a la deformación. Mientras mayor sea el esfuerzo requerido para producir una deformación dada, más rígido se considera que es el material.

Bajo un esfuerzo simple dentro del rango proporcional, la razón entre el esfuerzo y la deformación correspondiente es denominada módulo de elasticidad (E).

En términos del diagrama de esfuerzo y deformación, el módulo de elasticidad es la pendiente del diagrama de esfuerzo y deformación en el rango de la proporcionalidad del esfuerzo y la deformación.

Existen tres módulos de elasticidad: el módulo en tensión, el módulo en compresión y el módulo en cortante.

Bajo el esfuerzo de tensión, esta medida de rigidez se denomina módulo de Young;

Bajo el esfuerzo de cortante simple la rigidez se denomina módulo de rigidez.

RESISTENCIA ÚLTIMA

El término resistencia última está relacionado con el esfuerzo máximo que un material puede desarrollar. La resistencia a la compresión es el máximo esfuerzo de compresión que un material es capaz de desarrollar, la resistencia a la tensión es el máximo esfuerzo de tensión que un material es capaz de desarrollar.

La figura muestra, esquemáticamente, las relaciones entre esfuerzo y deformación para un metal dúctil y un metal no dúctil cargado hasta la ruptura por tensión:

Diagramas esquemáticos de esfuerzo y deformación para materiales dúctiles y no dúctiles ensayados a tensión hasta la ruptura.

Con un material quebradizo la falla en compresión es por ruptura, y la resistencia a la compresión posee un valor definido. En el caso de los materiales que no fallan en compresión por una fractura (materiales dúctiles, maleables o semiviscosos), el valor obtenido para la resistencia a la compresión es un valor arbitrario que depende del grado de distorsión considerado como falla efectiva del material.

La figura muestra diagramas característicos de esfuerzo y deformación para materiales dúctiles y no dúctiles en compresión:

 

Diagramas esquemáticos de esfuerzo y deformación para materiales dúctiles y no dúctiles, ensayados a compresión hasta la ruptura.

 PLASTICIDAD 

La plasticidad es aquella propiedad que permite al material sobrellevar deformación permanente sin que sobrevenga la ruptura.

Las evidencias de la acción plástica en los materiales estructurales se llaman deformación o flujo plástico.

Otra manifestación de la plasticidad en los materiales es la ductilidad. La ductilidad es la propiedad de los materiales que le permiten ser estirados a un grado considerable antes de romperse y simultáneamente sostener una carga apreciable. Se dice que un material no dúctil es quebradizo, esto es, se quiebra o rompe con poco o ningún alargamiento. 

Las propiedades mecánicas que son de importancia en ingeniería y que pueden deducirse del ensayo tensión – deformación son las siguientes:

1. Módulo de elasticidad2. Límite elástico3. Resistencia máxima a la tensión

1. Módulo de elasticidadEn la primera parte del ensayo de tensión, el material se deforma elásticamente, o sea que si se elimina la carga sobre la muestra, volverá a su longitud inicial. Para metales, la máxima deformación elástica es usualmente menor a un 0.5%. En general, los metales y aleaciones muestran una relación lineal entre la tensión y la deformación en la región elástica en un diagrama tensión – deformación que se describe mediante la ley de Hooke:

El módulo de Young tiene una íntima relación con la fuerza de enlace entre los átomos en un material. Los materiales con un módulo elástico alto son relativamente rígidos y no se deforman fácilmente.Nótese que en la región elástica del diagrama tensión – deformación el módulo de elasticidad no cambia al aumentar la tensión.

2. Límite elásticoEs la tensión a la cual un material muestra deformación plástica significativa. Debido a que no hay un punto definido en la curva de tensión – deformación donde acabe la deformación elástica y se presente la deformación plástica se elige el límite elástico cuando tiene lugar un 0.2% de deformación plástica, como se indica en la figura.

3. Resistencia máxima a la tensiónLa resistencia máxima a la tensión es la tensión máxima alcanzada en la curva de tensión –deformación. Si la muestra desarrolla un decrecimiento localizado en su sección (un estrangulamiento de su sección antes de la rotura), la tensión decrecerá al aumentar la deformación hasta que ocurra la fractura puesto que la tensión se determina usando la sección inicial de la muestra. Mientras más dúctil sea el metal, mayor será el decrecimiento en la tensión en la curva tensión-deformación después de la tensión máxima.

La resistencia máxima a la tensión de un material se determina dibujando una línea horizontal desde el punto máximo de la curva tensión – deformación hasta el eje de las tensiones. La tensión a la que la línea intercepta al eje de tensión se denomina resistencia máxima a la tensión, o a veces simplemente resistencia a la tensión o tensión de fractura.

CONTROL DE CALIDAD

CALIDAD: Grado en el que un conjunto de características (o parámetros de medición), cumplen con la necesidad o expectativa establecida, generalmente implícita u obligatoria (Norma ISO 9000: 2000 Fundamentos y Terminología de los Sistemas de Gestión de la Calidad)

NORMA: Son documentos que elabora un organismo nacional de normalización o secretarias de estado, que prevé para un uso común y repetitivo, reglas, especificaciones, atributos, métodos de prueba, directrices, características o prescripciones aplicables a un producto, proceso, instalación, sistema, actividad, servicio o método de producción u operación, así como aquellas relativas a terminología, embalaje, marcado y etiquetado (ART: 3 Ley Federal sobre Metrología y Normalización LFMN)

Son establecidas por consenso de las partes interesadas (fabricantes, consumidores, organismos de investigación científica y tecnológica, laboratorios y, asociaciones profesionales); y aprobados por organismo reconocido Sectorial/ Nacional / Regional / Internacional; ofrecen un lenguaje común de comunicación, establecen un equilibrio socioeconómico entre los distintos agentes que participan en las transacciones comerciales y son un patrón necesario de referencia para el cliente y el proveedor. La Ley Federal de Metrología y Normalización contempla dos tipos de norma: NOM y NMX

NOM Normas oficiales Mexicanas, a cargo del ejecutivo federal y que son regulaciones técnicas federales obligatorias para productos o servicios que comprometan un cambio en los ecosistemas y salud de seres vivos.(Cap. II Sección I Art. 40, 41)

NMX Normas mexicanas voluntarias o comerciales, a cargo del sector privado que se refieren a la calidad de bienes y servicios. (Cap. II Sección II Art. 51)

NORMALIZACIÓN. Es una actividad colectiva encaminada a establecer soluciones a situaciones repetitivas, consiste en la elaboración, difusión y aplicación de normas. En general las escriben dependencias de gobierno.

ORGANISMOS QUE EMITEN NORMAS:

NACIONALES: Organismo Nacional de Normalización y Certificación para la construcción y edificación ONNCCE (Secretaria de Economia), Centro Nacional para la Prevención de Desastres (CENAPRED), Dirección General de Norma (DGN), SCT, CFE, PEMEX.

EXTRANJERAS: Sociedad Americana para Pruebas de Materiales ASTM, Instituto Americano de estandarización ANSI, Asociación Francesa de Normalización AFNOR, Asociación Española de Normalización y Certificación AENOR, Asociación Americana de Ingenieros Civiles ASCE, Sociedad Americana para la Enseñanza de Ingeniería ASEE,

Asociación Americana de Ingeniería del cemento ASHRAE, Sociedad Americana de la Calidad ASQC, Institución Británica de Estandarización BSI; Comité Europeo de Estandarización.

COMPONENTES GENERALES DE UNA NORMA EMITIDA POR EL ONNCCE:

a) Nombreb) Prefacio: Empresas que integran el comité y que participan en la elaboración de la Norma.c) Objetivo y/o aplicación.d) Referencias.e) Definicionesf) Equipo, aparatos e instrumentos g) Preparación y acondicionamiento de las muestras.h) Procedimientos.i) Bibliografíaj) Concordancia con normas internacionalesk) Vigencia

ESPECIFICACIÒN. Definición en forma precisa y ordenada con individualidad de una cosa, objeto o material que se pretende utilizar en un proyecto. La escriben los dueños de un proyecto, diseñadores, proyectistas, constructores o vendedores.

CERTIFICACIÓN. Procedimiento por el cual una tercera parte asegura por escrito que un producto, proceso, servicio o sistema satisface los requisitos establecidos por una norma o en un documento normativo. Las actividades de certificación incluyen: evaluación de la conformidad con documentos normativos, evaluación de los sistemas constructivos, certificación de los sistemas de calidad de normas mexicanas (NMX-CC / ISO 9000, información sobre normas y bienes.

ACREDITACIÓN. El acto por el cual un organismo externo reconocido, considerando una norma de referencia aplicable, reconoce la competencia técnica y confiabilidad de una empresa, institución o individuo para la evaluación de la conformidad.

CONTROL ESTADÍSTICO DE PROCESOS

Definición de Procesos

La forma general de definir un proceso es: “ conjunto de actividades necesarias para la transformación de insumos en productos o resultados agregándole un valor ". Los insumos y recursos son las fuentes de variación de los procesos, estos pueden ser: materiales, procedimientos, equipos, medio ambiente y recurso humano.

La importancia de conocer un proceso es que este se pueda controlar. Una vez controlado el proceso se debe mejorar, esto es, reducir la variabilidad para que se generen artículos o servicios lo más uniforme posible.

Un requisito de la mejora de los procesos es lograr la uniformidad de los procesos mediante la reducción de la variación. La reducción de la variación permite hacer predicciones y planes de los acontecimientos, comportamientos y desempeños futuros basados en el proceso y el conocimiento profundo de los componentes y variables que afectan al proceso.

El uso de técnicas de muestreo y análisis estadístico, en ambientes de producción, tiene como finalidad la reducción sistemática de la variabilidad.

Es importante que un proceso se encuentre en control estadístico ya que es en ese estado cuando un proceso se puede mejorar y disminuir su variabilidad.

Los gráficos de control o cartas de control son una importante herramienta utilizada en control de calidad de procesos. Básicamente, una Carta de Control es un gráfico en el cual

se representan los valores de algún tipo de medición realizada durante el funcionamiento de un proceso contínuo, y que sirve para controlar dicho proceso.

El propósito de una gráfica de control es determinar si el comportamiento de un proceso mantiene un nivel estadístico de control, así como también el de proporcionar información de prevención, o anticiparse a la pérdida de control estadístico.

La línea central corresponde a la media de las medias muestrales, mientras que las líneas superior e inferior a los límites de control. Los puntos graficados corresponden a las medias de pequeñas muestras tomadas a través del tiempo, durante el proceso.

En general, si un punto cae fuera de los límites de control es un indicativo de que existe una causa especial de variación, la cual debe ser buscada y corregida para regresar al estado de control estadístico.

Incluso si todos los puntos se hallan dentro de los límites de control, pero éstos se comportan de manera sistemática o no aleatoria, esto indicará que existen causas especiales de variación, por lo que el proceso no estará en un estado de control.

ROCAS Y SUELOS

PERFILES ESTRATIGRÁFICOSSon representaciones esquemáticas que nos indican la composición de un terreno

en capas o estratos que se formaron en el transcurso del tiempo.

La representación por medio de perfiles estratigráficos se obtiene a partir de métodos directos (muestreo y ensaye de materiales) o métodos indirectos (estudios, geofísicos o sísmicos), presentando información cuya finalidad es:

a) Indicar cómo la historia geológica influye sobre las características del terrenob) Dar valores típicos sobre las propiedades de las rocas y/o suelosc) Mostrar la variabilidad del comportamiento del suelo con la profundidadd) Historia de presiones o esfuerzos a los que se sometió un suelo.

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NTN

NAF

Arena

Grava con Arena

Fragmentos con Arcilla

Roca Sana

0-2

2-5

5-5.5

NTN: Nivel del terreno Natural

NAF: Nivel de Aguas Freáticas

CICLO DE FORMACIÓN DE LAS ROCAS

CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS

Las rocas están involucradas en muchos proyectos de ingeniería civil, sus propiedades son consideradas en la fase de exploración, diseño, construcción y servicio del proyecto. La roca se considera intacta o masiva.

a) ROCA INTACTA ó SANA: no presenta discontinuidades como juntas y plegamientos, SE DESCRIBE EN TÉRMINOS GEOLÓGICOS DE ACUERDO A LA DESCRIPCIÓN MINERALÓGICA, TEXTURA, ETC.

b) ROCA MASIVA: es interrumpida por discontinuidades o bloques de roca intacta, Por el tamaño de sus partículas se divide en fragmentos de roca (de 0.75 m a 2.0 m de diámetro) o fragmentos de roca chicos (de 7.5 cm a 20 cm).

FORMAS COMERCIALES DE LA ROCA

1. DE CANTERA 2. PIEDRA BRAZA 3. BALDOSADAmonumentos o piezas de ornato cimentaciones Fahadas

4. EN GREÑA 5. POLVO DE ROCA

Roca masiva sin clasificación de tamaños Para pisos

PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DE LAS ROCAS

COLOR. Es debido a los minerales que la componen estos se clasifican respecto al color en dos grupos: · los minerales idiocromáticos · los minerales alocromáticos. Se llama idiocromaticos a los minerales que tienen colores característicos relacionados con su composición, en este caso el color es útil como medio de identificación. En los minerales alocromaticos no se presenta un color característico.

FRACTURA. Es la manera irregular de separarse dos o más cristales no coincidiendo con un posible plano cristalográfico, al aplicarles una fuerza. La fractura puede ser:- Concoidea o concoidal, se generan superficies cóncavas – convexas y se pueden

apreciar ondas concéntricas en torno al punto de impacto.- Irregular, cuando se rompe según superficies bastas e irregulares- Fibrosa o astillosa, el mineral se rompe según fibras o astillas.

CLIVAJE. Es la forma de separación de los cristales de un mineral, también al aplicarle una fuerza y se diferencia de la exfoliación por generar planos de separación menos perfectos. En función de estos se habla de grados de clivaje, siendo el grado 1: clivaje perfecto (límite superior con la exfoliación); grado 2: clivaje bueno; grado 3: clivaje medio; grado 4: clivaje imperfecto y grado 5: clivaje absolutamente imperfecto (limite con la fractura).

DUREZA. Se llama dureza al grado de resistencia que opone una roca a la deformación mecánica. Depende de la composición química de los minerales que la conforman y también de la disposición de sus átomos. Cuanto más grandes son las fuerzas de enlace, mayor será la dureza del mineral y por ende de la roca.

LUSTRE – BRILLO. El brillo en una roca es debido a la capacidad de sus minerales de reflejar la luz incidente.

FLUORESCENCIA O FOSFORESCENCIA. Las rocas fluorescentes se hacen luminiscentes cuando están expuestos a la acción de los rayos ultravioleta, X o catódicos. Si la luminiscencia continua después de haber sido cortado la excitación se llama al fenómeno fosforescencia y a la roca con tal característica mineral fosforescente. Las fluoritas de color intenso son rocas fosforescentes, que muestran luminiscencia al ser expuestas a los rayos ultravioleta.

RQD. Índice de calidad de la roca permite estimar discontinuidades microscópicas e interismo a diferentes profundidades.Datos para los cálculos:

Profundidad de perforación Longitud de los núcleos perforados

Designación de la Calidad

RQD DESCRIPCIÓN

0-25 Muy mala

26-50 Mala

51-75 Regular

76-90 Buena

91-100 Excelente

COEFICIENTE DE EXPANSIÓN. Propiedad térmica que indica la capacidad de cambiar el volumen con respecto a la temperatura

% DE DESGASTE POR ABRASIÓN. Resistencia a degradarse ante cargas abrasivas, se realiza por medio de la máquina de los ángeles.

si % de desgaste por abrasión >50%, puede ser utilizada la roca para fabricar concreto

PERDIDA EN PESO POR INTEMPERISMO ACELERADO. Pérdida en peso de la estructura sólida ante sustancias acidos o sulfatos ejem. Sulfato de sodio.

RANGOS DE LAS PROPIEDADES BÁSICAS DE LAS ROCAS

TIPO DE ROCA DENSIDAD POROSIDAD

RESISTENCIA (kg/cm2)

COMPRESIÓN

TENSIÓN CORTANTE

qu T SÍGNEAS 2.2-3.1 0.1-1.5 1000-3500 70-350 140-600

SEDIMENTARIAS

2.0-2.7 1.0-3.0 50-2500 20-250 30-500

METAMÓRFICAS

2.6-3.0 0.1-2.0 500-3000 50-300 150-600

RCDF --- 4% Máximo 100-150

AGREGADOS MINERALES. SON PARTÍCULAS DE ROCA TRITURADA, GRAVA Y ARENA (TRITURADA O NATURAL) Y PRODUCTOS ARTIFICIALES INORGÁNICOS DEL

TAMAÑO DE ARENA Y GRAVA, UTILIZADOS SOLOS O EN COMBINACIÓN DE OTRO MATERIAL (AGLOMERANTES) PARA UN FIN CONSTRUCTIVO, CONSTITUYENDO LA MAYOR PARTE DE LA ESTRUCTURA EN QUE INTERVIENEN; COMO POR EJEMPLO:

Arena y grava para concreto asfáltico, constituyen aproximadamente el 90% en peso.

Arena y grava para concreto hidráulico, constituyen aproximadamente el 85% en peso.

Suelos con calidad de Sub-bases y Bases, para la estructura de un pavimento, constituyen el 100% en peso.

Rellenos y Filtros de estructuras, constituyen el 100% en peso.

Los aglomerantes son sustancias para unir fragmentos ó elementos heterogéneos, los principales aglomerantes son: cemento Pórtland, cal, yeso, cemento asfáltico, resinas naturales o artificiales. Se denominan aglomerados a la masa resistente y dura formada con agregados minerales cohesionada física, química o mecánicamente por un aglomerado.

Wsi: Peso seco inicialWsf: Peso seco final

En la descripción de agregados minerales se utilizan términos como:

a) FUENTE DE ORIGEN

NATURALES: de ríos o arroyos conglomerados, se separan arena y grava por cribado en diversos tamaños (3”, 1 ½”, 3/8”, No. 4”, pasa No. 4) para eliminar limos y arcillas. También se utilizan escorias de origen volcánico de tipo pumítico (tepojal)

TRITURADOS: Fragmentos de roca triturados y cribados hasta alcanzar los tamaños deseados

ARTIFICIALES: como unicel, plástico, fragmentos de acero, desperdicio de altos hornos (escoria y fly Ash), etc.

b) TAMAÑO MÁXIMODe acuerdo a valor de la abertura de la criba en la cual pasa el 100% del material, se define únicamente para las gravas y se define en pulgadas (2”, 1 ½”, 1”, ¾”, 3/8”)

c) FORMADe acuerdo a los valores de esfericidad y redondez. Las partículas equidimesionales presentan menor área superficial por unidad de volumen y se empacan mejor que las partículas alargadas y planas, así que requieren menor cantidad de aglomerante. La redondez afecta directamente al contenido de vacíos, a mayor redondez menor contenido de vacíos.

CLASIFICACIÓN DE LA FORMA DE

LA PARTÍCULADESCRIPCIÓN

ANGULAR Bordes bien definidos en la intersección de caras rugosas y tres dimensiones iguales

ALARGADA Partículas angulares con una relación largo/ancho >3

PLANA Partículas con relaciones largo/ancho < 3

IRREGULAR De forma natural irregular por desgaste, con bordes redondeados

REDONDEADA Desgaste severo, tridimensional y sin bordes claros

d) TEXTURA SUPERFICIALEs el grado en que una partícula puede ser medida de acuerdo a la altura y separación de sus asperezas en su superficie. La textura superficial afecta la adherencia de las partículas y el aglomerante, Las partículas tersas se empacan mejor que las partículas rugosas y por lo tanto requieren menor cantidad de aglomerante

CLASIFICACIÓN DE LA TEXTURA SUPERFICIAL DE

LA PARTÍCULADESCRIPCIÓN

ÁSPERA Fractura con granos finos a medianos difíciles de ver a simple vista

LISA Desgastada por agua o por fractura de rocas laminadas

GRANULAR Fractura con granos uniformes aproximadamente redondos

PANALOIDE Cavidades y poros visibles

CRISTALINA Partes cristalinas fácilmente distinguibles

GRANULOMETRÍA. Distribución de frecuencias del tamaño de sus partículas apropiada para cada uso.Existen parámetros de calidad como MODULO DE FINURA EN ARENAS, que esta definido como la suma del porcentaje retenido acumulado de la malla No. 4 a la No. 100 dividido entre 100. Un valor entre 2,30 y 3,10 es apropiado.

La importancia practica de la curva granulométrica es la de mantenerla tan constante como sea posible para disminuir las variaciones de las propiedades físicas y mecánicas del material, se deberá determinar la cantidad de sustancias perjudiciales en las muestras de materiales. La cantidad de arcilla determina el comportamiento de los agregados minerales y se consideran sustancias perjudiciales en los siguientes aspectos:

Mayor cantidad: aumenta la plasticidad, el potencial de expansión y/o contracción, agrietamiento, cohesión y compresibilidad. Mayor consumo de cemento reduce la estabilidad y adherencia de la mezcla, incrementan la demanda de agua, aparición de grietas en la superficie

MEZCLA DE DOS O MÁS AGREGADOS MINERALES

Por lo general no se tiene una sola fuente de agregados que proporcione los requisitos granulométricos para concreto asfáltico, material de base ó sub-base, por lo que es necesario mezclas dos o más materiales.

Un procedimiento gráfico para mezclar dos materiales consiste en:1. Trazar un cuadro de 10 divisiones por lado2. Marcar el porcentaje que pasa cada tamiz de cada agregado en los ejes verticales para

el suelo A (grueso) y suelo B (fino)3. Para cada tamaño unir con una línea recta los dos agregados4. Marcar los limites especificados en cada recta utilizando los ejes horizontales5. Trazar una línea vertical entre estos limites6. Determinar el porcentaje requerido para cada agregado.

Esté método se puede aplicar realizando la mezcla para dos materiales, posteriormente la nueva granulometría se utiliza para mezclar un tercer material

Relación fino/total (%)

100 80 60 40 20 0100 100

80 80

60 60

40 40

20 20

0 0 20 40 60 80 0

%

que

pasa

% q Gu Re U Ep Sa Os a

FINO

Relación grueso/total (%)

Generalmente se realizan mezclas de materiales para cumplir con alguna granulometría para agregados minerales empleados como sub-base, base, material para elaboración de carpeta asfáltica, las granulometrías de dichos materiales se muestran en las siguientes tablas

AGLOMERANTES.

Un aglomerante es una sustancia utilizada para unir fragmentos de agregados minerales o elementos heterogéneos. En la construcción, un aglomerado es una masa cohesionada física, química o mecánicamente por medio de una sustancia, tiene las propiedades de resistencia y dureza, formada con arena, grava, piedra, entre otros (p. Ejem: aditivos, agregados artificiales, pigmentos)

Clasificación de los aglomerantes:

1. Aglomerantes pétreos. Son aquellos que al ser mezclados con agua toman consistencia plástica y al endurecer toman características pétreas, en esta clasificación se tienen dos grupos:

- Aglomerantes aéreos: endurecen con el aire, ejemplos: arcilla, yeso, cal aérea viva y cal aérea hidratada. Se utilizan en acabados (revoques finos), si se coloca en lugares confinados tardara mucho en fraguar o quizá no fraguara lo que significa que no endurecerá. Tienen capacidad de adherencia y se aceptan proporciones en volumen de 1: 3.5 mínimo y de 1: 6 máximo (aglomerante – agregados)

- Aglomerantes hidráulicos: endurecen con el agua e incluso debajo del agua, con o sin presencia del aire, requieren periodos de hidratación para alcanzar su resistencia máxima, ejem: cemento, cal hidratada, cemento de albañilería. Se usan en lugares confinados y mampostería, donde se requiera resistencia y poca capacidad de adherencia. Se acepta que la suma de los volúmenes de aglomerantes y la suma de los volúmenes de los agregados debe mantener una relación mínima de 1: 2.25 y máxima de 1: 3

La clasificación de los aglomerantes en base a su capacidad de resistencia de mayor a menor es la siguiente: cemento portland, cemento de albañilería, cal hidráulica, cal aérea y yeso.

En base a su capacidad adherente, para las cales, la cal hidráulica aérea es más adherente que la cal hidráulica.

2. Aglomerantes Hidrocarbonatados: Son materiales que endurecen por evaporación o enfriamiento de los disolventes que lo forman. ejem: asfalto, resinas (polímeros)

Definiciones importantes:

- Pasta: mezcla de aglomerante + agua- Mortero: mezcla de aglomerante + agua + arena ó aglomerante hidrocarbonatado

+ arena- Concreto: mezcla de grava + arena + aglomerante + aditivos + agua (aglomerante

pétreo)- Fraguado: Al mezclar el agua y el aglomerante, se inician una serie de reacciones

químicas, manifestándose inicialmente por la rigidización gradual de la pasta asociada a los cambios de temperatura, siguiendo con la perdida de plasticidad y culmina con el endurecimiento y adquisición de resistencia mecánica del material

- Fraguado falso: es la rigidez prematura y anormal de los aglomerantes hidráulicos (principalmente en el cemento), que se presenta dentro de los primeros minutos después de haber adicionado el agua, al volverlo a mezclar se restablece su plasticidad.

- Trabajabilidad. Es la propiedad que posee una mezcla de materiales que permite al operario colocarlo con facilidad, realizar su alineamiento y mantenerlo a plomo en estado plástico. Para el cemento se considera que a los 45 minutos pierde su trabajabilidad (fraguado inicial) y a las 10 horas (fraguado final) ya se presenta resistencia en el concreto,

CAL VIVA. Es el producto de la calcinación de una roca caliza (CaCO3) o dolomita entre 900°C y 100°C. Esta constituida en su mayor parte por oxido de calcio CaO y oxido de magnesio (mínimo 95%); sílice, alúmina y oxido de hierro (5% máximo).

Control de calidad: se toman muestras para determinar la composición química y la Finura verificando que el residuo retenido en la malla No. 20 (0.841 mm) no sea mayor de 15% en peso.

CAL HIDRATADA. Es un polvo seco obtenido de la combinación de cal viva con agua para formar hidróxido de calcio ( Ca OH2) y oxido de magnesio MgO. Existen dos tipos de cal hidratada para empleados para la elaboración de morteros, recubrimientos y como adicionantes para el cemento portland. Se designan como sigue:

- Tipo N – Cal Hidratada Normal- Tipo E: Cal Hidratada Especial

El tipo E difiere del tipo N principalmente por la capacidad para dar un alto valor de plasticidad en corto tiempo, así como por su mayor poder de retención del agua y por su limitación de contenido de oxido no hidratado.

Control de calidad: se toman muestras para determinar:a) Composición química:

- Tipo N: oxido de calcio CaO y oxido de magnesio (mínimo 95%); bióxido de carbono (5% máximo)

- Tipo E: oxido de calcio CaO y oxido de magnesio (mínimo 95%); bióxido de carbono (5% máximo), Oxidos no hidratados 8% máximo

b) Finura: verificar que el residuo retenido en la malla No. 30 (0.595 mm) lavando el material no sea mayor de 0.5% en peso.

c) Valor de plasticidad: en la cal Hidratada tipo E mayor de 200, en función del tiempo en que tarda una pasta en llegar a una lectura de 100 en un aparato estandarizado.

d) Retención de agua mayor a 75% (tipo N), y mayor de 85 (tipo E) después de una succión de 60 segundos.

CAL HIDRAULICA HIDRATADA. Es un producto cementante seco resultado de la hidratación del material obtenido de la calcinación de roca caliza que contenga sílice y alúmina, de tal manera que además de formarse cal viva (CaO) deje suficiente silicato de calcio no hidratados para proporcionar al polvo seco sus propiedades hidráulicas, las cuales pueden aumentarse adicionando una puzolana pulverizada natural o artificial Existen dos tipos de cal hidratada para empleados para la elaboración de morteros, recubrimientos y como aditivos plastificantes. Se designan como sigue:

- Tipo A – Cal hidráulica hidratada rica en calcio hasta 5% en peso de oxido de magnesio con respecto a la proporción volátil

- Tipo B: Cal hidráulica hidratada magnesitica, que contiene más del 5% en peso de oxido de magnesio con respecto a la proporción volátil

Control de calidad: se toman muestras para determinar:a) Composición química: Calculado con respecto a la proporción no volátil: oxido de calcio

CaO y oxido de magnesio en 60%-70%, Sílice SiO2 en 16%-26%, Oxido de Hierro Fe3O2 y oxido de Aluminio Al2O3 12% máximo; Bióxido de carbono 5% máximo calculado con respecto a la muestra como se recibe.

b) Finura: verificar que el residuo retenido en la malla No. 30 (0.595 mm) lavando el material no sea mayor de 0.5% en peso ni mayor del 10% en la malla No. 200 (0.047 mm).

c) Tiempo de fraguado: para la pasta de cal de consistencia normal, el fraguado inicial no deberá ser mayor de 2 horas y el final quedar dentro de un lapso de 48 horas

d) Sanidad: las barras de pastas de cal no deberán tener una expansión mayor del 1%

e) Resistencia a compresión: no deberá ser menor de 12 kg/cm2 a los 7 días, no menor de 24 kg/cm2 a los 28 días

CEMENTANTE PARA MORTERO. Es un producto que se obtiene al mezclar cal hidratada y sílice activa, finamente pulverizadas en la proporción adecuada para su uso como aglutinante en morteros para mamposterías y recubrimientos

Control de calidad: se toman muestras para determinar:a) Finura: verificar que el residuo retenido en la malla No. 325 en seco máximo 15% en

pesob) Sanidad: las barras de pastas de cal no deberán tener una expansión mayor del 1% al

someterse en el autoclavec) Tiempo de fraguado, utilizando el método de Gillmore para la pasta de consistencia

normal, el fraguado inicial no deberá ser mayor de 2 horas y el final quedar dentro de un lapso de 24 horas

d) Resistencia a compresión: en cubos de 5 cm x 5 cm no deberá ser menor de 35 kg/cm2

a los 7 días, no menor de 63 kg/cm2 a los 28 díase) Retención del agua: flujo después de la succión 70% mínimo con respecto al flujo

original.

YESO. Es el producto de la deshidratación parcial o total de la piedra de yeso o algez CaSO4 con dos moléculas de agua (2 H2O) cuando se calientan entre 1000° a 1400°C. El yeso cristaliza en un sistema monociclico, es soluble en agua y cuando endurece trata de reproducir a la roca original. Presenta fraguado de 2 a 3 minutos y finaliza entre 10 y 20 minutos. Durante el fraguado aumenta en volumen un 0.5%. De acuerdo a su uso se producen 1 tipos:

- Yeso calcinado: polvo seco principalmente sulfato de calcio semihidratado utilizado para la producción de cemento y mortero.

- Yeso para empastar: yeso calcinado a 169°C y 200°C, es muy plástico y en ocasiones se le agregan retardantes de fraguado, se clasifican en: Yeso de 1ª. (blanco), Yeso de 2ª (gris) y Yeso para prefabricados

CEMENTO PORTLAND.

Antecedentes históricos: El empleo de cementantes es muy antiguo, los egipcios, romanos y griegos utilizaban caliza calcinada y posteriormente aprendieron a mezclar cal con agua, arena y piedra triturada o ladrillo y tejas quebradas, este fue el primer concreto de la historia. La sílice activa y la alúmina que se encuentran en las cenizas volcánicas combinadas con cal molidos a temperatura normal forman lo que se conoce como cemento puzolanico, (cementos aéreos).

En 1756 John Smeaton fue comisionado para reconstruir el faro de Eddystone, en la costa de Cornvalle Inglaterra, descubrió que el mejor cemento se obtenía cuando se mezclaba puzolana con caliza que contenía una alta cantidad de material arcilloso, Smeaton fue el primero en conocer las propiedades químicas de la cal hidráulica. A partir de esto se desarrollaron otros tipos de cementos hidráulicos como el “cemento romano” que obtuvo James Parker por calcinación de nódulos de caliza arcillosa, que vinieron a culminar con la patente del CEMENTO PORTLAND que obtuvo Joseph Aspdin en 1924. Este cemento se prepara calentando una mezcla de arcilla finamente triturada y caliza dura en un horno hasta eliminar el CO2, esta temperatura es mucho más baja que la necesaria para la formación del clinker. El prototipo de cemento moderno lo obtuvo en 1845 Isaac Johnson quien quemo una mezcla de arcilla y caliza a una temperatura aproximada de 1400°C, donde el material se sintetiza y se funde parcialmente hasta obtener un sólido en forma de esferas conocido como clinker. El clinker se enfría y se tritura en un molino hasta obtener un polvo fino al cual se le adiciona un poco de yeso y el producto comercial resultante es el cemento Portland.

COMPOSICION QUIMICA DEL CEMENTO PORTLAND. Las materias primas utilizadas en la fabricación del cemento portland consisten en cal, sílice, alumina, oxido de hierro y yeso. Que interactuan hasta formar una serie de productos más complejos, hasta alcanzar un

equilibrio químico, con la excepción de un pequeño residuo de cal no combinada que no ha tenido tiempo de reaccionar.

La estimación de la composición del cemento se ha simplificado con métodos como fluorescencia de rayos X (difractometría) y microanálisis por sondeo eléctrico. Se suelen considerar como los componentes principales del cemento a los indicados en la sig. tabla.

Composición del oxido AbreviaturaSILICATO DICALCICO 2 Ca O . SiO2 C2 S granos incoloros equidimensionalesSILICATO TRICALCICO 3 Ca O . SiO2 C3 S cuatro formas cristalinasALUMINATO TRICALCICO 3 Ca O . Al2O3 C3 A cristales rectangulares y una fase amorfaALUMINOFERRITO TETRACALCICO 4 Ca O . Al2 O3 . Fe2O3 C4 AF solución sólidaALCALIS (oxido de magnesio y potasio) Na2O y K2 O ---Componentes menores MgO, TiO2 , Mn2 O3

Se ha encontrado que los álcalis reaccionan con algunos agregados minerales y que los productos de esta reacción ocasionan una desintegración del concreto, además de afectar la rapidez con que el cemento adquiere resistencia.

HIDRATACION DEL CEMENTO. El cemento hidratado es una mezcla de cuatro compuestos de hidratación principales. Las partículas de cemento en contacto con el agua forman un gel de cemento, una sustancia gelatinosa rígida consistente de cristales y agua no evaporable (agua gel), en el momento en que se cemento se mezcla con el agua se inician reacciones de hidratación, el agua se satura de cal libre, el silicato tricalcico se hidrata liberando hidroxilos de calcio el cual cristaliza lentamente en la solución. El agua libera los álcalis del cemento como sulfatos alcalinos, en tanto los aluminatos reaccionan con el yeso disuelto en el agua precipitándose, generándose calor y aumento de temperatura, la pasa de un estado fluido a un estado rígido. En ocasiones se presenta un fraguado falso, una rigidez prematura el poco tiempo de mezclado sin generación de calor de hidratación, y con trabajo mecánico es posible lograr la plasticidad de la pasta. Este fenómeno se debe por la falta de yeso en el cemento con gran generación de calor porque el agua reacciona con el aluminato tricalcico (C3A), si no se logra la plasticidad en la pasta el cemento se debe desechar.

Los hidratos más importantes son los silicatos proporcionando las partes cohesivas a la pasta agua-cemento, son cristales no bien desarrollados en forma de fibras flexibles y hojas con agua entre capas, como las arcillas. El agua absorbida entre capas se mantiene unida por medio de las fuerzas de Van del Walls, causando un proceso irreversible de movimiento de las moléculas de agua entre capas.

Los silicatos de calcio se combinan con el 24% de agua formando una sustancia que en su forma final es un hidrato de silicato tricalcico. A pesar de que el agua de hidratación es casi igual en los dos silicatos (tricalcico y dicalcico), el silicato dicalcico produce el doble del hidrato de calcio afectando significativamente las resistencia a carga y al ataque de agentes agresivos de la pasta agua-cemento.

La hidratación del aluminato tricalcico y el yeso no son bien conocidas, primero se produce un hidrato rico en agua que reacciona con el 40% del agua. La hidratación del aluminoferrito tetracalcico con el 37% de agua y el 30% del hidrato de cal después de que el yeso ha terminado de reaccionar con el C3A

Las propiedades mecánicas de la pasta agua-cemento dependen de la estructura física de los productos de hidratación. El modelo de Powers considera una representación idealizada de la hidratación del cemento basada en las siguientes ecuaciones:

Volumen de agua no evaporable Vwne = 0.23 Wc

Volumen de Sólidos de hidratación Vsh = Vc + 0.75 Vwne

Volumen de agua gel Vwg, depende de la porosidad en la pasta agua-cemento

Donde:

Wc : Peso del cementoVc : Volumen del cementoDc : Densidad del cemento Pórtland = 3.15Vw : Volumen de aguaDw : Densidad del aguaVvp : Volumen de vacíos en la pasta

Vsp: Volumen de sólidos en la pasta

VwgPowers considero n = 28% = 0.28 y la formula n = ----------------- Vsh + Vwg

Despejando 0.28 (Vsh + Vwg) = Vwg

Sustituyendo Vsh 0.28 (Vsh + Vwg) = Vwg => Vwg = 0.28 Vsh / (1-0.28)

Volumen de agua gel Vwg = 0.389 Vsh

Volumen de productos de hidratación Vph = Vsh + Vwg Estructura ó Representación de Fases

Volumen de Capilares en la pasta agua cemento Vcap = Vp - Vph

Volumen total de la pasta agua + cemento Vp = Vc + Vw Volumen de Capilares Vcap = Vc + Vw – Vsh – Vwg

Vcap + VwgPorosidad real en la pasta agua-cemento n = ----------------- Cemento sin Cemento Vp Hidratar Hidratado

Ejem1: Calcule la cantidad de agua necesaria para hidratar 100 y determine la rel a/c.

Sol. Volumen del cemento Vc = Wc / Dc = 100 gr / 3.15 gr/cm3= 31.746 cm3

Utilizando las formulas propuestas en el modelo de Powers.

Volumen de agua no evaporable Vwne = 0.23 Wc = 0.23 (100) = 23 gr ó 23 cm3

Volumen de Sólidos de hidratación Vsh = Vc + 0.75 Vwne = 31.746 + 0.75 (23) = 48.996 cm3

Volumen de agua gel Vwg = 0.389 Vsh = 0.389 (48.966) = 19.06 cm3

El agua requerida para realizar la mezcla es Vw = Vwne + Vwg = 23 + 19.06 = 42.06 cm3 ó 42.06 ml

Volumen de Capilares Vcap = Vc + Vw – Vsh – Vwg = 31.746 + 42.06 – 48.996 – 19.06 = 5.75 cm3

Vcap + Vwg 5.75 + 19.06Porosidad real en la pasta agua-cemento n = ----------------- = -------------------- = 0.33 ó 33% Vp 31.746 + 42.06

Relación a/c = Ww / Wc = 42.06 / 100 = 0.4206

Ejem2: Calcule la cantidad de agua necesaria para hidratar 100 si se realiza el curado con agua externa ó la pasta esta sumergida

Sol. Volumen del cemento Vc = 31.746 cm3 .Utilizando las formulas propuestas en el modelo de Powers.

Volumen de agua no evaporable Vwne = 0.23 Wc = 0.23 (100) = 23 gr ó 23 cm3

Volumen de Sólidos de hidratación Vsh = Vc + 0.75 Vwne = 31.746 + 0.75 (23) = 48.996 cm3

Volumen de agua gel Vwg = 0.389 Vsh = 0.389 (48.966) = 19.06 cm3

El agua requerida para realizar la mezcla es Va =Vsh +Vwg –Vc =48.996 + 19.06 –31.746 = 36.31 cm3

Volumen de Capilares Vcap = Vc + Vw – Vsh – Vwg = 31.746 + 36.30 – 48.996 – 19.06 = 0 cm3

Vcap + Vwg 0 + 19.06Porosidad real en la pasta agua-cemento n = ----------------- = -------------------- = 0.28 ó 28% Vp 31.746 + 36.31

Relación a/c = Ww / Wc = 36.31 / 100 = 0.36 (agua mínima para consistencia normal NMX-C-057) CEMENTOS EXPANSIVOS. Es un cemento hidráulico que se expande ligeramente durante el periodo de endurecimiento a edad temprana después del fraguado. Una de las principales ventajas de usar cemento expansivo en el concrerto consiste en controlar y reducir las grietas de contracción por secado. Se reconocen tres tipos de variedades:

Cemento tipo E-1 (K) contiene cemento portland, trialuminosulfato tetracalcico anhídrido, sulfato de calcio y oxido de calcio sin combinar (cal)

Capilares

Agua gel

Sólidos de hidratación

Agua

Cemento

Vcap VvpVwg

Vsh Vsp

Cemento tipo E-1 (M) contiene cemento Portland, cemento de aluminato de calcio y sulfato de calcio

Cemento E-1 (s) contiene cemento Pórtland con un elevado alto de aluminato tricalcico y sulfato de calcio

Cuando la expansión se restringe, por ejemplo, debido al refuerzo, el concreto expansivo puede ser usado para:

1. Compensar la disminución de volumen ocasionada por la contracción por secado2. Disminuir esfuerzos de tensión en el refuerzo postensado3. estabilizar a largo plazo las dimensiones de las estructuras de concreto postensado

respecto al diseño original.

ASFALTO: Son los productos obtenidos de la destilación del petróleo, consistentes en una mezcla de hidrocarburos o hidrocarbonos naturales. Esta formado por aceites (fase dispersante) y asfáltenos o resinas (fase dispersa o discontinua) pasando con facilidad de una fase sólida a una fase líquida por medio del calor y con el tiempo modifican su estructura y composición química (proceso de envejecimiento), perdiendo su capacidad de resistencia, adhesividad e impermeabilidad al agua.

Esta compuesto por átomos de azufre, nitrógeno y oxigeno formando grupos polares que generan enlaces secundarios con moléculas de hidrocarbonatos (carbono 80-87%, Hidrogeno 9-11%, Oxigeno 2-8%, Nitrógeno 0-1%, azufre 0.5-7% y métales 0-0.5%). Los análisis químicos de asfaltos no son muy comunes por la cantidad y el tamaño de cadenas moleculares, solamente se realizan análisis o fracciones de cadenas moleculares, de las cuales se distinguen tres arreglos:

a) Fase de aceite: formada por moléculas de anillos no polares saturados de hidrocarburos sin condensar, afectan las propiedades de viscosidad y fluidez.

b) Fase de asfáltenos o paranificos, cadenas rectas o ramificadas de moléculas que proporcionan las propiedades de adhesión y ductilidad

c) Resinas o aromáticos, se acomodan combinando anillos y cadenas moleculares, son los que proporcionan las propiedades de resistencia y rigidez

La dificultad de caracterizar químicamente a los asfaltos justifica una clasificación sobre las bases físicas y reológicas que puedan ser relacionadas con el comportamiento mecánico de los materiales donde se utiliza el asfalto. Estas propiedades se obtienen, en su mayoría por medio de pruebas de laboratorio de origen empírico sin considerar las temperaturas de servicio. El asfalto se utiliza en la elaboración de concretos asfálticos, pinturas, adhesivos, recubrimientos, impermeabilizantes, fieltros, etc. El asfalto utilizado en pavimentos se produce en tres formas:a) Cemento asfáltico: es el residuo de la destilación del petróleob) Asfaltos rebajados: cemento asfáltico + disolvente (gasolina o nafta para fraguado

rápido; queroseno para fraguado medio y aceites ligeros para fraguado lento) c) Emulsión asfáltica, son materiales asfálticos líquidos estables formados por dos fases

no miscibles constituidos por cemento asfáltico+agua emulsificada con carga eléctrica. Se dividen en emulsiones asfálticas anionicas (carga electropositiva) y emulsiones asfálticas cationicas (o electronegativas), pudiendo ser de rompimiento rápido, medio y lento.

Las pruebas que se realizan son para medir la viscosidad, solubilidad, punto de inflamación, penetración a 25°C, punto de reblandecimiento, ductilidad, solubilidad en tetracarbonato de carbono, capacidad de cubrimiento de partículas.

La palabra petroleum proviene de la palabra griega petra (piedra) y la palabra latina oelum (aceite), es un líquido aceitoso más ligero que el agua constituido por una mezcla de hidrocarburos naturales que se encuentran almacenados en el interior de la corteza terrestre

Los petróleos crudos presentan diferentes composiciones químicas resultado de las variaciones de sus propiedades físicas como densidad, color y viscosidad. El color va de transparente a opaco pasando por el amarillo al negro. La densidad varia entre 0.738 al 0.934 y la viscosidad presenta una variación notable

El proceso de refinación del petróleo consiste en separar los componentes de la mezcla que se clasifican desde ligeros a pesados y son: GASES, GASOLINAS, KEROSENA, ACEITE DE GAS, ACEITES LUBRICANTES, ASFALTOS Y PARAFINAS. El proceso de separación se denomina destilación fraccionaria y se muestra en la fig. No. 1.

Los principales usos de los productos obtenidos de la refinación del petróleo son:- Gas: Calefacción industrial- Gasolina: combustible de motores y aviones- Diesel (gas y aceite): combustible de maquinaria- Aceites lubricantes: aceite para vehículos, engranaje o transmisiones- Asfaltos: impermeabilizantes. Recubrimientos, pisos y pavimentos.- Ceras: tratamiento de superficies y maderas- Solventes: Pinturas (recubrimientos orgánicos y barnices- Productos químicos del petróleo: sustancias químicas inorgánicas y orgánicas,

compuestos aromáticos, polímeros (plásticos, cauchos sintéticos y fibras sintéticas.

La norma de la S.C.T. define al asfalto como un material bituminoso de color negro constituidos por asfáltenos, resinas y aceites, elementos que proporcionan las características de consistencia, aglutinación y ductilidad. Es sólido y semisólido, tiene propiedades cementantes a temperatura ambiente normales, al calentarse se ablanda gradualmente hasta alcanzar una consistencia líquida. Los principales materiales asfálticos para pavimentos, de acuerdo a la norma N-CMT-4-05-001/01 de la Secretaria de Comunicaciones y Transportes son:

Material Asfáltico

Clasificación Tipo Vehículo para su

aplicación

Usos más comunes

Cemento Asfáltico

ACDe acuerdo a la viscosidad

AC–5,AC-10, AC-20,AC-30

Calor Se utiliza en la elaboración en caliente de carpetas, morteros y estabilizaciones, así como elemento para base en la fabricación de emulsiones asfálticas y asfaltos rebajados

Emulsión Asfáltico

De acuerdo a su carga eléctrica.EA anionicas polaridad electronegativaEC cationicas polaridad electropositiva

EAR-55, EAR-60EAM-60, EAM-65EAL-55, EAL-60EAI-60ECR-60, ECR-

Agua Se utilizan en la elaboración en frío de carpetas, morteros, riegos y estabilizaciones

De acuerdo al rompimientoR rápido, M medio, L lentoI impregnación, S sobreestabilizadaContenido de asfalto ( en %)

65, ECR-70, ECM-65, ECL-65, ECI-60ECS-60,

Asfalto Rebajado

De acuerdo a la velocidad de fraguado (R rápida y M media) y el tipo de solvente (3 nafta, 1 queroseno)

FR-3FM-1

Solventes Se utiliza en la elaboración en frío de carpetas y para la impregnación de sub-bases y bases hidráulicas

La producción del petróleo a gran escala se inicia aproximadamente en 1880 y la construcción de pavimentos con asfaltos en 1900. El 1920 se tenia la 1ª. Red de autopistas de 3 carriles individuales en Italia y para 1930 un sistema de autopistas moderno Autobahn Alemán para grandes volúmenes de trafica a velocidades de 160 km/hr. En 1950 la mayoría de los países europeos tenían una red de carreteras principales siendo la más avanzada la de Alemania.

En el diseño del espesor de la estructura del pavimento para la construcción de caminos se toman en cuenta:

a) Características y propiedades del suelo (capacidad de soporte)b) Topografía: Curvas y pendientesc) Intensidad de trafica (tipo y cantidad de vehiculos)d) Vida útil (tiempo de diseño)e) Condiciones climáticas de la zonaAlgunos usos de los asfaltos en la construcción:- Pavimentos: calles, caminos, aeropuertos, campos deportivos- Impermeabilizantes: Cartón asfáltico, adhesivos asfálticos- Mampostería: tabiques de arcilla estabilizados con asfalto- Drenaje: tubos de asfalto- Pinturas: mastique, barnices resistentes a ácidos, solventes, antioxidantes y lacas

CONCRETO HIDRÁULICO Y ASFÁLTICO(dosificaciones de mezclas).

CONCRETO HIDRAULICO. Las propiedades del concreto hidráulico para su estudio están divididas con su comportamiento en estado Fresco y Endurecido.

PROPIEDADES DEL CONCRETO EN ESTADO FRESCO: El concreto recién mezclado debe ser plástico o semifluido, capaz de ser moldeado incluyendo las actividades de transportación, colado, compactado, acabado y curado. Es una mezcla homogénea húmeda donde todos los granos de arena, grava o piedra quedan encajonados y sostenidos en suspención en una pasta de cemento y agua se puede moldear en el sentido de que puede colarse en una cimbra presentando una uniformidad del producto terminado.

Durante el mezclado se debe cuidar el tiempo de adicionamiento de agua, el numero total de revoluciones del tambor de la mezcladora y la velocidad de revolución. Otros factores importantes son el tamaño de la revoltura en relación al tamaño del tambor de la mezcladora, el tiempo transcurrido entre la dosificación y el diseño de la mezcla, la configuración y el estado del tambor mezclador y las paletas.

a) Trabajabilidad: es la facilidad de colocar, consolidar (compactar) y dar el acabado al concreto recién mezclado. El concreto debe ser trabajable pero no debe segregarse (separación de las partículas) ni sangrar excesivamente. El sangrado es la migración

del agua hacia la superficie del concreto recién mezclada provocada por el asentamiento de los materiales sólidos –cemento, arena-grava- dentro de la masa. El asentamiento es consecuencia del efecto combinado de la vibración y la gravedad.

Un sangrado excesivo aumenta la relación agua-cemento cerca de la superficie exterior, pudiendo dar como resultado una capa superior débil de baja durabilidad, particularmente si se llevan a cabo las operaciones de acabado mientras este presente el agua de sangrado. Debido a esto, el concreto recién mezclado tiende a sangrar, y es importante transportar y colocar la carga lo mas cerca posible de la posición final. El aire incluido mejora la trabajabilidad y reduce la tendencia del concreto fresco a segregarse y sangrar.

b) Consolidación: Es la vibración que pone en movimiento a las partículas en el concreto recién mezclado, reduciendo la fricción entre ellas y dándole a la mezcla cualidades móviles de un fluido denso. La acción vibratoria permite el uso de una mezcla más 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 del agregado habrá de llenar una pasta de menor volumen y existirá una menor arrea superficial de agregado por cubrir con pasta, teniendo como consecuencia que una cantidad menor de agua y de cemento sea necesaria. Con una consolidación adecuada las mezclas más duras y ásperas pueden ser empleadas, lo que tiene como resultado una mayor economía y calidad

Si una mezcla de concreto es lo suficientemente trabajable se puede segregar al ser vibrada

c) Hidratación y tiempo de fraguado. La propiedad de adhesiva y cohesiva de la pasta de cemento potland se debe a la reacción química entre el cemento y el agua llamada hidratación. En la pasta ya endurecida estas partículas forman uniones entrelazadas entre las otras fases cristalinas y los granos de cemento sin hidratar también se adhieren a los granos de arena y grava cementando como un conjunto. La formación de esta estructura en la acción cementante de la pasta y es responsable del fraguado, del endurecimiento y del desarrollo de la resistencia.

Cuando el concreto fragua su volumen bruto permanece casi inalterado, pero el concreto endurecido contiene poros llenos de agua y aire, mismos que no tienen resistencia alguna. La resistencia esta en la parte sólida de la pasta, en su mayoría en el hidrato de silicato de calcio y en las fases cristalinas. La relación agua cemento mínima en peso para la hidratación total del cemento es aproximadamente del 0.36.

El conocimiento de la cantidad de calor liberado a medida que el cemento se hidrata puede ser útil para planear la construcción con concreto, En invierno, el calor de hidratación ayudara a proteger el concreto contra el daño provocado por las temperaturas de congelación, se acostumbra colar a temperaturas de hasta 5°C y se debe evitar colar a temperaturas inferiores. Sin embargo, el calor puede ser nocivo en estructuras con grandes espesores de concreto (concreto masivo) como presas porque puede producir esfuerzos indeseables al enfriarse luego de endurecer, por lo que se utilizan cementos con bajo calor de hidratación. Es importante conocer la velocidad de reacción entre el cemento y el agua porque determina el tiempo de transporte y colocación del concreto (tiempo de fraguado inicial es de 45 minutos) y el de acabado (tiempo de fraguado final 60 minutos). Se pueden adicionar aditivos para controlar los tiempos de fraguado.

CONCRETO ENDURECIDO,d) Curado Húmedo. El aumento de resistencia continuara con la edad mientras este

presente algo de cemento sin hidratar, a condición de que el concreto permanezca húmedo o tenga humedad relativa superior al 80% y permanezca a temperatura favorable. Cuando la humedad relativa es menor del 80% o la temperatura del concreto desciende del punto de congelación, la hidratación y el aumento de resistencia virtual se detienen; si después se vuelve a saturar el concreto después de un periodo de secado, la hidratación se reanuda y la resistencia vuelve a aumentar, sin embargo, si no se cura el concreto puede perder resistencia hasta en un 50%.

e) Velocidad de secado del concreto. El concreto no endurece ni se cura con el secado, ya que el cemento requiere humedad para hidratarse, al secarse el concreto deja de obtener resistencia, además de que se presentan grietas provocando superficies débiles y descascaramiento de las partículas. El contenido de humedad de las propiedades del concreto endurecido se ven afectadas como el modulo de elasticidad, flujo plástico, valor de aislamiento, resistencia al fuego, resistencia al desgaste, conductividad eléctrica, durabilidad.

f) Resistencia.

A compresión: Se puede definir como la resistencia medida a carga axial por un espécimen a una edad de 28 días, se designa con el símbolo f´c y se expresa en kg/cm2. Es una propiedad fundamental y es empleada en el cálculo para diseño de puentes, edificios y otras estructuras. El uso más generalizado del concreto es de una resistencia de 200 a 350 kg/cm2.

La resistencia a flexión ó modulo de ruptura, se utiliza generalmente para diseñar pavimentos y otras losas sobre el terreno, la resistencia a compresión se relaciona empíricamente con el valor de la resistencia a compresión.

La resistencia a tensión es aproximadamente entre 8% y 12% de su resistencia a compresión y existen formulas empíricas para suponer su valor. La resistencia a torsión del concreto esta relacionada con el modulo de ruptura y las dimensiones del elemento de concreto. La resistencia a cortante puede variar de acuerdo a los componentes del concreto y el medio ambiente que se encuentre.

El modulo de elásticidad, denotado por el símbolo E se puede definir como la relación del esfuerzo normal a la deformación correspondiente para esfuerzos de tensión o de compresión por debajo del límite de elasticidad de un material. Para concretos de peso normal E fluctúa entre 140,600 y 422,000 kg/cm2.

Lo más recomendable es elaborar especímenes para determinar la resistencia del concreto elaborado. Los principales factores que afectan la resistencia son la relación a/c, la edad, deficiente proceso constructivo.

g) Peso Unitario. El concreto convencional tiene un rango entre 2,200 y 2400 kg/m3, varia dependiendo la cantidad de aire atrapado o intencionalmente incluido y de los contenidos de agua y cemento influenciados por el tamaño máximo del agregado. Para el diseño de estructuras, un valor convencional del concreto armado es de 2,400 kg/m3.

h) Resistencia a congelación y Deshielo. Del concreto utilizado en estructuras y pavimentos, se espera que tengan una vida útil larga y de mantenimiento bajo. Debe tener buena durabilidad para resistir condiciones de exposición anticipadas. El factor de intemperismo más destructivo es la congelación y el deshielo, mientras que el concreto se encuentra húmedo, particularmente cuando se cuenta con presencia de agentes químicos descongelantes. El deterioro es provocado por el congelamiento del agua en la pasta y en las partículas del agregado o en ambos.Con el inclusión de aire el concreto es sumamente resistente a este deterioro, el agua se acomoda en las burbujas de aire y así alivia la presión hidráulica generada, siendo más durable un concreto con aire incluido que uno sin aire incluido, en general se requiere entre 4% y 8% de aire incluido adicional al que se presenta por las condiciones de mezclado. Sin embargo, bajo todas las condiciones de exposición, una buena pasta con baja relación agua cemento evitara que la mayor parte de las partículas de agregado se saturen

i) Permeabilidad y hermeticidad. El concreto empleado en estructuras que retengan agua o que estén expuestas a mal tiempo o condiciones de exposición severa deben ser virtualmente impermeables y herméticos. La hermeticidad se refiere a la capacidad de refrenar o retener el agua sin escapes visibles. La permeabilidad se refiere a la migración de agua a través del concreto cuando el agua se encuentra a presión o la capacidad del concreto de permitir la penetración del agua u otras sustancias (aire,

gas, iones, etc.). La permeabilidad de la pasta depende de una relación agua/cemento baja y del grado de hidratación del cemento con un curado adecuado. La disminución de permeabilidad del concreto mejora la resistencia, el ataque a sulfatos y a otros productos químicos y a la penetración del ion cloruro, aumentando la durabilidad o vida útil del concreto. Se realizan pruebas para determinar el grado de corrosión o perdida en peso de muestras sometidas a sustancias químicas por periodos de tiempos definidos.

j) Resistencia al desgaste. Los pisos, pavimentos y estructuras hidráulicas están expuestos al desgaste, por lo que requieren una elevada resistencia a la abrasión. Los resultados de la resistencia a la abrasión están relacionados con la resistencia a compresión del concreto, la cual depende de las bajas relaciones agua/cemento y curado adecuado, aunque también dependen el tipo de agregados gruesos y el acabado de la superficie. Un agregado más duro es más resistente a uno blando o esponjoso, y si una superficie ha sido tratada con llana de metal resiste más al desgaste que una que no se acabo con este material. Se pueden realizar ensayes de resistencia a la abrasión rotando balines de acero, ruedas de afilar o discos a presión sobre la superficie (ASTM 779 o ASTM C 418 y C 944) deteminando la profundidad de desgaste en un tiempo definido.

k) Estabilidad volumétrica. El concreto endurecido presenta cambios de volumen debido las variaciones de temperatura, humedad y esfuerzos aplicados. Estos cambios de volumen pueden variar de aproximadamente 0.01% a 0.08% . En el concreto estructural los cambios de volumen son los mismos que para el acero.

El concreto que se mantiene continuamente húmedo se dilatara ligeramente, cuando se seque se contrae, teniendo un efecto nulo la contracción de secado para contenidos de cemento entre 250 y 170 kg por metro cubico. La magnitud de contracción depende de otros factores como la cantidad de agregado, tamaño y forma de la masa de concreto, temperatura y humedad relativa del medio ambiente, método de curado, grado de hidratación y tiempo.

l) Control de agrietamientos. Las dos causas básicas por las que se producen los agrietamientos son:

- Esfuerzos debidos a la contracción por secado o a cambios de temperatura en condiciones de restricción. La contracción por secado es una propiedad inherente e inevitable en el concreto, por lo que se utiliza acero de refuerzo colocado en una posición adecuada para reducir los anchos de grietas o bien juntas que predominen y controlen la ubicación de las grietas.

– Esfuerzos inducidos por cargas aplicadas. Se deberá de realizar un calculo adecuado para el diseño de los elementos estructurales y que los esfuerzos que se produzcan sean por cargas máximas utilizando factores de seguridad adecuados (falla estructural). El agrietamiento puede existir sin que se produzca una falla de los elementos estructurales pero provoca inseguridad entre los usuarios de las estructuras (falla funcional).

Las dosificaciones de los materiales utilizados en la elaboración y las actividades de la calidad del concreto dependen del constructor, están relacionadas con la dosificación de los ingredientes para elaborarlo: cemento, agua, arena, grava, aditivos; de manera especial la relación agua-cemento en peso, los métodos de transporte, colocación, compactado, acabado y curado; mientras que los aspectos de durabilidad y resistencia le corresponden al ingeniero proyectista

m) Resistencia al fuego. El concreto hidráulico tiene la mejor resistencia entre los elementos de construcción. El concreto es incombustible relativamente aislante de la transmisión de calor, soporta cargas mientras esta sujeto a la acción del fuego durante un periodo significativo de tiempo, dependiendo la geometría del elemento. El concreto hidráulico es utilizado en pisos de fundidoras, en soportes de hornos sujetos a ciclos de temperaturas de 400°C sin considerar aspectos de resistencia a la compresión.

El concreto utilizando materiales de peso normal no soporta temperaturas mayores a 538°C, para temperaturas mayores es necesario utilizar agregados pesados y resistentes al calor, cementos con alto contenido de alúmina. Se han reportado comportamientos adecuados de concretos con ingredientes normales en las plantas de lanzamiento de cuetes donde se alanzan temperaturas de 2760°C por poco tiempo. El calor causa pérdida de resistencia y daño por contracción de la superficie del concreto pero permanece inalterado el interior del concreto incluyendo el acero de refuerzo, cuando las temperaturas altas se limitan a 4 horas de exposición. El color del concreto se modifica por la acción del calor, este fenómeno permite la estimación de la temperatura máxima alcanzada durante el fuego y con ello la perdida de resistencia del concreto.

Temperatura Color en la superficie Resistencia Relativa* (Con respecto a la f’c

del concreto)°C del concreto Caliente Frío

0 – 300 Natural 0.90 0.70300 - 600 Rosado-rojo 0.52 0.45600 – 900 Gris 0.15 --

> 900 Amarillo 0.05 --

DOSIFICACION DE CONCRETO HIDRAULICO. Objetivo: Elaborar un material económico y durable, que en estado fresco tenga las propiedades de uniformidad y trabajabilidad para facilitar las actividades de transportación, colocación y acabado; y que en estado endurecido satisfaga los requisitos de resistencia y durabilidad requeridas en la obra. La metodología utilizada se basa en el Estándar Practice for selecting proportions for normal heavyweigth and mass concrete (ACI.211.1) traducido por el IMCYC

Criterios:

a) Resistencia: f’c : Resistencia a compresión a los 28 días, elaborado y curado en forma estandarizada. La f´c se indica en la mayoría de los reglamentos de construcción, es un dato para el análisis estructural y diseño de los elementos estructurales (elementos de la estructura que transmiten o soportas cargas). . Se debe seleccionar el tamaño máximo del agregado dependiendo de las dimensiones del elemento, la separación del acero de refuerzo y el recubrimiento de concreto.

De acuerdo al Reglamento del ACI-318-99 se establecen 3 criterios para satisfacer la resistencia media de un concreto, con un cierto valor de desviación estándar definido ().

f c r = f ’c + 1.282 con una probabilidad de que 1 de cada 10 pruebas tenga una resistencia menor de f’cf c r = f ’c + 1.343 con una probabilidad de que 1 de cada 100 pruebas tenga una resistencia menor de f’cf c r= f ’c – 35 + 2.326 con una probabilidad de que 1 de cada 100 pruebas tenga una resistencia menor de f’c – 35 kg/cm2

La f’c, la distribución del acero de refuerzo y el tamaño máximo del agregado, deben indicarse en forma clara en los planos aprobados para ser empleados en la construcción de un proyecto.

b) Durabilidad: elementos sometidos a condiciones de servicio ambientales por ataque físico y/o químico que pueden producir la perdida irreversible de resistencia. Esta relacionado con el agrietamiento del concreto, el tamaño, distribución y continuidad de los poros capilares que permiten la permeabilidad para la absorción de sales, ácidos, sulfatos (ataque químico) o a ciclos de congelamiento y deshielo (ataque físico). Para la dosificación se especifican:

El tamaño máximo del agregado no debe ser superior a:

- 1/5 dimensión mínima- ¾ separación mínima entre varillas- ¾ espesor del recubrimiento- 1/3 espesor de la losa

Dimensión mínima

Separación entre varillas

Cubrimiento del acero

n) Tipo de cementoo) El grado de exposición: ligero, moderado o severo, y el tipo de agentes químicosp) Si es con aire incluido o sin aire incluidoq) Cubrimiento mínimo del acero de refuerzo para evitar la corrosión, de acuerdo

con la sig. Tabla:

Relación agua-cemento 0.40 0.50 0.60Cubrimiento (cm) 5.0 7.5 10.0

En general se utilizan cementos con puzolanas o aditivos para elementos sujetos al ataque químico. Para elementos sujetos al ataque físico se utiliza además la inclusión de aire.

Las propiedades físicas para los materiales de la zona del Valle de Toluca se encuentran entre los siguientes intervalos

ARENA GRAVAs Peso volumétrico seco suelto ( kg/m3 ) 1300 – 1600 1100- 1350c Peso volumétrico seco suelto ( kg/m3 ) 1400 - 1750 1200 – 1450D Densidad (adimensional) 2.2 – 2.6 2.0 - 2.4MF Modulo de finura 2.4 – 3.0 ------Abs Absorción (%) 2 – 8 4 - 7

Los tamaños comerciales de las gravas son ¾” 1” y 1 ½” y 2”

De acuerdo al Reglamento del ACI-318-99 se establecen 3 criterios para satisfacer la resistencia media de un concreto, con un cierto valor de desviación estándar definido ().

f c r = f ’c + 1.282 con una probabilidad de que 1 de cada 10 pruebas tenga una resistencia menor de f’cf c r = f ’c + 1.343 con una probabilidad de que 1 de cada 100 pruebas tenga una resistencia menor de f’cf c r= f ’c – 35 + 2.326 con una probabilidad de que 1 de cada 100 pruebas tenga una resistencia menor de f’c – 35 kg/cm2

Considerando un f’c de 250 y una desviación estándar de 25 kg/cm2, entonces la Fdis=

f c r = f ’c + 1.282 = 282.05 con una probabilidad de que 1 de cada 10 pruebas tenga una resistencia menor de f’cf c r = f ’c + 1.343 = 383.57 con una probabilidad de que 1 de cada 100 pruebas tenga una resistencia menor de f’cf c r= f ’c – 35 + 2.326 con una probabilidad de que 1 de cada 100 pruebas tenga una resistencia menor de f’c – 35 kg/cm2

CONTROL DE CALIDAD. PARÁMETROS DE SUPERVISIÓN.

a) Temperatura del concreto y de los materialesb) Juntas de contracción, expansión o aislamiento y de contracciónc) Criterios de uniformidad Diferencia máxima permisible

Masa volumétrica 15 kg/m3Contenido de aire 1%Revenimiento < de 6 cm 1.5 cm 9 a 12 cm 2.5 cm > 12 cm 3.5 cm

QUÍMICOS: Aditivos reductores de agua (Tipo A), aditivos retardantes de fraguado (tipo b, aditivos acelerrantes (de la resistencia) aditivos reductores de agua y retardantes aditivos reductores de agua y acelerantes

INCLUSORES DE AIRE. Se utilizan para proteger el concreto de efectos de Congelación y deshielo, mejoran la trabajabilidad de concreto y facilitan el bombeo del concreto fresco, el aditivo forma burbujas de 0.05 a 1.25 mmADITIVOS PARA MINERALES INERTES, roca molida, cuarzo molido, caliza o CONCRETO cuarzo molido o cal hidratada

ADITIVOS MINERALES MINERALES CEMENTANTES, aportan resistencia, escoria de alto horno, Fly ash, MATERIALES PUZOLANICOS

INHIBIDORES DE CORROSION DIVERSOS IMPERMEABILIZANTES EXPANSORES, se mezclan con el cemento Portland logrando que la pasta se expanda en estado fresco

Existen tres tipos de maneras en las cuales se puede elaborar concreto asfáltico.

1. Dosificación por peso. La emplean principalmente las plantas premezcladoras de concreto

2. Dosificación por volúmenes de obra. Se utiliza para realizar los presupuestos por pesos unitarios

3. Proporción por bulto de cemento. Se emplea cuando se realiza el concreto en obraDurabilidad. Características del concreto para resistir la acción del intemperismo, ataque químico y/o sus condiciones de servicio a través del tiempo, de deben de considerar el agregar algún aditivo o escoger un tipo de cemento que resista alguna acción especifica.

1. Ejemplo: Realizar la dosificación utilizando la metodología propuesta por el IMCYC para un concreto simple colocado en un banqueta f’c = 150 kg/cm2

a) La localidad de Veracruz, se propone un ataque a sales ligero sin aire incluido 50 mm diámetro

b) Monterrey en una zona donde existen variaciones de temperatura durante de –10°C a las 4:00 A.M. y de 35°C en el medio día

Datos de las propiedades físicas de los materiales a emplear

ARENA GRAVA CEMENTOs Peso volumétrico seco suelto ( kg/m3 ) 1400 1350 ---c Peso volumétrico seco compacto ( kg/m3 ) 1550 1410 ---D Densidad (adimensional) 2.5 2.3 3.15MF Modulo de finura 2.6 ---- ---Abs Absorción (%) 5.5 3.0w Humedad (%) 5.0 1.5

a) Veracruz b) Monterrey1) revenimiento: 10 cm 10 cm2) tamaño máximo del agregado 1/3 peralte de la losa piso = 1/3 (15) = 5 cm = 2” (50 mm) 2” (50 mm)3) Cantidad de agua Wa sai 170 lt cai exp mod 155 lt Cantidad aproximada de aire atrapado 0.5 % 4%4) relación agua-cemento (tabla b) 0.45 0.505) Peso de cemento Wc = Wa / rel a/c 377.78 kg 310 kg6) Estimación del contenido de agregado grueso Tabla Volag Mf 2.6 0.76 0.76 W gr = Vol ag c gr 1071.6 kg 1071.6 kg

7) Estimación del agregado fino, por volumen V = W / 1000D agua 0.1700 0.1550 cemento 0.1199 0.0984 grava 0.4659 0.4659 aire 0.0050 0.0400 SUMA 0.7608 0.7593 Volumen de arena (1 – suma) arena 0.2392 0.2407

Peso de arena War = 1000 Var Dar 598 kg 601.75 kg

8) Ajuste por humedad y absorción

War húmeda = War ( 1+w) = War (0+0.05) 627.9 kg 631.83 kg Wgr húmeda = Wgr ( 1+w) =1071.6 (1 + 0.015) 1087.67 kg 1087.67 kg

Agua por añadir = Ww - War húmeda (w - abs) - Wgr húmeda (w - abs)

= 170 - 627.9 (0.050 – 0.055) – 1087.67 (0.015 – 0.030) = 189.45 lt = 155 - 631.83(0.050 – 0.055) – 1087.67 (0.015 – 0.030) = 1 74.46 lt

Agua máxima = Ww - War seca (abs) - Wgr seca (abs) = 170 + 598 (0.055) + 1071.60 ( 0.030) = 235.04lt = 155 + 601.75(0.055) + 1071.60 ( 0.030) = 220.24 lt

i) Dosificación por peso para 1m3 de concreto con los materiales parcialmente saturados (húmedos) a) Veracruz b) Monterrey Agua 189.45 174.46 Agua máxima 235.04 kg 220.24 lt cemento 377.78 kg 310.0 kg grava humeda 1087.67 kg 1087.67kg arena húmeda 417.9 kg 631.83 kgii) Dosificación por volumen

ARENA GRAVA s Peso volumétrico seco suelto ( kg/m3 ) 1400 1350 c Peso volumétrico seco compacto ( kg/m3 ) 1550 1410 PROM Peso volumétrico seco promedio ( kg/m3 ) 1475 1380

Para la grava y arena Peso / PROM

En unidades de obra para 1m3

a) Veracruz b) Monterrey a) Veracruz b) Monterrey Agua 189.45 lt 174.46lt 0.1884 m3 0.17446 m3 Agua máxima 235.04 kg 220.24 lt 0.2244 m3 0.224 m3 cemento 377.78 kg 310.0 kg 7.55 bultos 6.2 bultos grava seca 1071.6 kg 1071.67k 0.776 m3 0.776 m3 arena seca 598 kg 601.75 kg 0.4054 m3 0.4979 m3

iii) Proporción en botes de 18 lt para 1m3 (proporción / (18 lt * 1000)

a) Veracruz b) Monterrey a) Veracruz b) Monterrey Agua 188.4 lt 174.46 lt (entre 18 lt) 10.4667 botes 9.692 botes Agua máxima 235.04 kg 220.24 lt (entre 18 lt) 13.058 botes 12.235 botes grava seca 0.776 m3 0.776 m3 (x 1000 / 18 ) 43.111 Botes 43.111 Botes arena seca 0.4054 m3 0.4978 m3 (x 1000 / 18) 22.522 Botes 27.655 botes

Dividiendo entre el No. de bultos nos da la proporción por bulto de cemento (agua : grava : arena) Para la localidad de Veracruz ( / 7.55) 1.386 : 5.71 : 2.98 (Mat. saturados) 1.729 : 5.77 : 2.98 (mat. secos)Para la localidad de Monterrey ( / 6.2) 1.563 : 6.95 : 4.46 (Mat. saturados) 1.973 : 5.77 : 2.98 (mat. secos) 2) Obtener la porosidad en la mezcla de concreto

a) para la pasta agua cemento a) Veracruz b) Monterrey agua Vw 0.1700 0.1550 cemento Vc 0.1199 0.0984

Agua no evaporable Vwne = 0.23 Vcs Dc Vwne 0.0868 0.0713 Sólidos de hidratación Vsh = Vcs + 0.75 Vwn Vsh 0.1845 0.1518 Volumen de agua gel Vwg = 0.389 Vsh Vwg 0.0701 0.059 Volumen de productos de hidratación Vph = Vsh + Vwg Vph 0.25 0.2108 Volumen de Capilares Vcap = Vc + Vw - Vph Vcap 0.033 0.04260

grava 0.4659 0.4659 arena 0.1592 0.2407 aire Va 0.0050 0.0400

Porosidad en el concreto n= Vcap + Vwg +Va n = 0.033+0.05+0.0701 n = 0.0426+0.04+0.059 n = 0.1081 ó 10.81% n = 0.1416 ó 14.16%

Representación de fases del concreto hidráulico

Aire Aire

Va Va Vw Vcap Vv vacios Vwg Vc Vsh

Vare Vare Vs sólidos

Vgra Vgra

Materiales secos Concreto hidráulico sin mezclar (cemento hidratado)

Lista de Organismos Nacionales y Extranjeros relacionados con el cemento Pórtland.

Nombre Descripción de contenido A destacar

ASCE Publications (American Society of civil engineers)

Sociedad Americana de Ingenieros Civiles. - Gran base de datos de muchos documentos sobre ingeniería civil

  BCA (British Concrete Association)

Asociación Británica del Hormigón. - Muchos enlaces de compañías extranjeras cementeras

  CEMBUREAU (The european cement Association)

Asociación Europea del Cemento. - Publicaciones técnicas e Informes del sector a nivel europeo

  CEMSUISSE Industria cementera suiza. - Estadísticas y estudios del sector suizo

  CONCRETE INTERNATIONAL

Publicación on-line. - Buen buscador de artículos publicados en esta publicación

  CONSTRUCTION + Portal de construcción que abarca todas las áreas del mercado

- Contenidos muy completos para registrados- Sección de e-business interesante

  CRSI (Concrete reinforcing steel institute)

Instituto del hormigón armado. - Catálogo on-line con precios. (USA)

  ERMCO (European ready mixed concrete organisation)

Organización europea del hormigón. - Publicaciones técnicas relacionadas con el hormigón y el medio ambiente gratuitas

  FEBELCEM (Fédération de l´industrie cimentière belge)

Federación de la industria cementera belga. - Información económica del sector- Publicaciones técnicas- En francés y holandés

  ICPI (Interlocking concrete pavement institute)

Instituto de pavimentos de hormigón. - Documentos técnicos muy variados del sector: Diapositivas, Vídeos, etc

  IMCYC Instituto mexicano del cemento y del hormigón. - Contiene multitud de documentos de aprendizaje referentes al cemento y al hormigón

  INFOCIMENTS Información de la industria cementera francesa. - Muy buena documentación sobre el cemento y sus derivados- Está disponible sólo en francés- Sin conexión al servidor

  PCA (Portland cement association)

Asociación de cemento de Portland. - Buena descripción de la fabricación del cemento

  PTI (Post-tensioning institute) Instituto postensionamiento. - Documentación técnica y publicaciones muy buenas sobre el hormigón y la construcción, en concreto de estructuras en las que existe tensionamiento

CapilaresAgua gel

Sólidos de Hidratación

Arena

Grava

Agua

Cemento

Arena

Grava

ICMA Asociación iNternacioanal de microscopia en cemento

ORGANISMOS INTERNACIONALES QUE EMITEN NORMAS SOBRE ASFALTOS, CONCRETOS Y CEMENTO PORTLAND.

American Concrete InstituteP.O. Box 9094 8Farmington Hills, MI 48333-9094 9

ASTM 100 Barr Harbor Drive 12West Conshohocken, PA 19428-2959 13

American Society of Concrete Contractors 2025 Brentwood Blvd. 16St. Louis, MO 63144 17

American Institute of Steel Construction One East Wacker Drive, Suite 3100 20Chicago, IL 60601 21

Concrete Reinforcing Steel Institute933 North Plum Grove Road 24Schaumburg, IL 60173-4758 25

Prestressed Concrete Institute 209 W. Jackson Blvd 28Chicago, IL 60606-6938 29

Este organismo certificador,  avala que los productos de concreto en sus plantas certificadas, cuentan con un sistema de gestión de la calidad,  alineado a las normas mundiales, contando con documentos que validan dicha certificación.ABS Group líder en consultoría y certificación iso9000 2000 en la Latino América.CONCRETO ASFALTICO. El concreto asfáltico se utiliza principalmente como superficie de rodamiento y capa protectora de caminos y carreteras. Esta constituido por agregados minerales y producto asfáltico como ligante, aglomerante e impermeabilizante de las partículas del agregado mineral fijándolas. Constituyen aproximadamente del 85% al 90% los agregados minerales y del 6 al 8% de asfalto en peso del total de la mezcla. El asfalto es un material viscoplastico que permite la recuperación de la deformación del agregado cuando desaparece la carga y proporciona resistencia al cortante. Los agregados proporcionan resistencia y tenacidad.

El concreto asfáltico es un material elástoplastico viscoso donde la respuesta a la carga depende de la rapidez de carga y la temperatura ambiental. Cuando el concreto asfáltico se sujeta a carga sufre una deformación permanente pequeña que con el tiempo causa una deformación permanente vertical concidente con el sistema de rodamiento de vehículos pesados (formación de roderas), no falla por una fractura espontanea, sino por la acumulación de deformación en dirección de aplicación de cargas dinámicas repetidas. Las fallas se manifiestan como roderas, agrietamientos excesivos por flexión, fatiga, lagrimeo, rugosidad superficial, oxidación del asfalto (envejecimiento) y separación del agregado de la masa del concreto.

El diseño de mezclas trata la obtención de un contenido optimo de asfalto para obtener las propiedades deseables de un material con textura adecuada para el tránsito y la transmisión de esfuerzos en las capas que conforman el pavimento; la estabilidad, durabilidad, flexibilidad, resistencia a roderas, impermeabilidad, etc. Las principales propiedades del concreto asfáltico son:

ESTABILIDAD: es la capacidad de soportar carga repetida sin deformación por la combinación de fricción por trabazón de las partículas del agregado y el producto asfáltico.

DURABILIDAD: es la resistencia a agentes de la intemperie y fuerzas de abrasión impuestos por él transitan en la capa superficial, depende de la cantidad y tipo de producto asfáltico utilizado, se expresa en el diseño por el número de años de vida útil, y los periodos de mantenimiento.

LA FLEXIBILIDAD es la capacidad de deformación de la carpeta de rodamiento repetidamente sin agrietarse, ajustándose al cambio de la base, la flexibilidad depende tanto del cemento asfáltico como de la granulometria del agregado

LA RESISTENCIA AL DESLIZAMIENTO es la capacidad de oponerse por fricción a los neumáticos de los vehículos y depende de la textura superficial de la carpeta asfáltica. El lagrimeo en el asfalto disminuye la rugosidad

LA RESISTENCIA A LA FORMACION DE RODERAS, un cemento asfáltico de penetración baja funciona mejor que uno de penetración alta en contra de las roderas.

El objetivo es alcanzar una mezcla económica, resistente y durable determinando la cantidad de cemento asfáltico suficiente para satisfacer los requisitos de durabilidad, estabilidad, flexibilidad y textura utilizando la prueba de tensión indirecta para estimar el efecto de la tensión generada en la capa inferior de la carpeta por la acción del tránsito

El método utilizado para el diseño de mezclas de concreto asfálticas en México es el Método Marshall (empírico), que consiste en obtener la cantidad de cemento asfáltico que equilibre las propiedades de estabilidad y textura de una mezcla, teniendo el contenido mínimo de vacíos en el esqueleto del agregado. El diseño se hace por peso y se expresa como un porcentaje de asfalto (% de asfalto) por m3 de concreto asfáltico.

Una cantidad menor del contenido optimo origina agrietamiento, desintegración y permeabilidad en el concreto; mientras que una cantidad excesiva de asfalto lubrica y separa el lugar de aglutinar las partículas del agregado causando deformaciones permanentes por falta de textura.

El daño más evidente en el concreto asfáltico es la perdida de adherencia entre el asfalto y el agregado, por lo que se evalúa la susceptibilidad de la mezcla a sufrir daño por humedad la cual depende principalmente del contenido de vacíos en la mezcla y de la afinidad de los agregados con el asfalto.

Los procedimientos de dosificación consisten en la disposición del agregado y cemento que satisfagan las especificaciones de proyecto elaborando especímenes con diferentes contenidos de asfalto y de sus propiedades de estabilidad (kg), peso volumétrico unitario (kg/m3), contenido de vacíos, vacíos en el agregado mineral (VAM) y flujo (deformación en mm)

El método de diseño SUPERPAVE (desempeño superior de Pavimentos asfálticos) mejora el diseño de las mezclas asfálticas analizando como varian sus propiedades resistentes revisando el comportamiento del cemento asfáltico desde un punto de vista viscoelástico y en los agregados en términos de la granulometría y contenido de finos

Diseño Marshall Diseño SUPERPAVEParámetros de diseño en la mezcla

Estabilidad % de vacios = 4%% VAM Densidad especificaDensidad máxima teórica

Propiedades técnicas

- Trabajabilidad en campo- No alcanzar condiciones

plasticas- Deformaciones (flujo)

- Capacidad de soporte- Resistencia a la desintegración- Resistencia a la fisuración por

fatiga, termica, y por flexión- Resistencia a las deformaciones

permanentes- Compactabilidad y resistencia a

la segregaciónSelección del cemento asfáltico

Penetración y afinidad con el agregado pétreo y viscosidad

Temperatura ambiental

Denominación % optimo de asfalto y peso volumétrico marshall

EJ. 8% contenido de afalto y 2120 kg/m3

Grado de comportamiento del cemento asfáltico indicado como temperatura máximo o mínima en intervalos de 6°C

Ej. PG 70 – 58 o PG 64 -22Pruebas - Tensión indirecta - Tensión indirecta

mecánicas - Cortante- Flujo plástico- Fatiga por cortante- Compresión axial- Compresión Triaxial- Frecuencia de barrido

Consideraciones general

Se evalua de manera indirecta la susceptibilidad por humedadLa granulometría es un requisito deseable que no necesariamente se controla de manera rigurosa

Se evalua la susceptibilidad por humedadLa granulometría tiene un mayor control de calidad

Organismos Nacionales y Extranjeros relacionados con ASFALTOS.

r) OPEP. Organización de Países Exportadores de Petróleo- PIARC World Road Associations) UOP. Universal Oil Products- EAPA European Industry Association Pavimentt) API. American Petroleum Instituteu) AASHTO. American Association of State Hidhway and transportation Officialv) ATSSA American traffic Safety Services Associationw) IPC Instituto panamericano de Careterasx) IMA. Instituto Mexicano del Asfalto del PEMEXy) IMT. Instituto Mexicano del Trasporte (México)z) AMAAC. Asociación Mexicana del Asfalto y del transporte (México)aa) AMC asociación Mexicana de Caminos

METALES

Se obtienen de la extracción de minerales Fe, C, Ni, Cr, Al, Br, Pb, Ag sometidos a calor para ser fundidos en estado líquido utilizando procesos de reducción, separación de impurezas y refinación, para iniciar la solidificación.

Al material solidificado se conoce como lingote y es la primera operación que sufren los metales. Las operaciones siguientes se conocen como moldeadoras y pueden ser:

a) Forjado. Golpeteo con martillob) Laminado: corte en forma de laminasc) Extrusión: paso a presión del metal fundido que al enfriarse se consolida

Propiedades: resistentes a tensión y compresión, conductividad térmica y eléctrica; ductilidad, dureza, tenacidad, resistencia al impacto, propensos a la corrosión. Los principales productos aplicados a la ingeniería civil: VIGAS, RIELES, TUBERIAS, PLACAS, LAMINAS, ACERO DE REFUERZO, MALLA, ALAMBRES.

Los metales se pueden clasificar de acuerdo a su composición química en:Material Principales propiedades1. HIERRO PURO

contiene 0.0% a 0.0088% de carbono

Es duro y frágil

I) ACERO AL CARBONO

a) Hipoteutoide (bajo al carbono entre 0.008% a 0.8% de carbono), se calienta a temperaturas mayores de 912°c

- Se calienta a temperaturas mayores de 912°C para ser maquinados

- Son dúctiles tanto en frío como en caliente, resistentes a tensión y compresión, tenaces

2. ACERO b) Hipereutoide (alto en carbono entre 0.8% a 2.0% de carbono),

- Se calienta a temperaturas mayores de 738°C para ser maquinados

- Son resistentes a tensión y compresión, duros, resistentes a la abrasión y desgaste, se utilizan en herramientas cortantes y cojinetes

II) ALEACIONESa) De acero inoxidableb) Acero marteniticoc) Acero manganeso

2.0 a 4.3% de carbono. Se emplean en estado

a) HIERRO GRIS contiene entre 2.4% y 4.5 % de carbono

Material no maleable, son duros, frágiles, resistente al desgaste utilizado en fundiciones porque se puede maquinar

3. HIERRO COLADO

líquido para llenar moldes con formas geométricas deseadas

b) HIERRO BLANCO contiene entre 2.0% y 2.55% de carbono

Resistente al desgaste, superficialmente duro

c) HIERRO COLADO DUCTIL. En estado líquido se agrega magnesio, es muy ductil de fácil maquinado y capacidad de fundición.

4. MATERIALES NO FERROSOS

ALEACIONES a) aleaciones de aluminio Ligero, buen conductor térmico, dúctil, se puede trabajar en caliente y frío, punto de fusión de 660°c con temperaturas de trabajo menores a 300°C

b) Aleaciones de magnesio Difícil de trabajar sin agrietarsec) Aleaciones de cobre Buena conductividad térmica y

eléctrica, alta resistencia a la oxidación, gran ductilidad.

d) Aleaciones de níquel5. SOLDADURA

a) Por presiónb) Por fusión

Para proporcionar propiedades especiales a las piezas de acero se someten a tratamiento térmico denominándose las fases:

a) Normalización, se calienta el acero entre 727°C y 912°C para proporcionar una estructura uniforme con grado refinado, mayor ductilidad y resistencia

b) Templado, se ablanda el acero a temperaturas menores de 727°Cc) Recocido. Se realiza dentro del horno y consiste en mantener al material a unaa

temperatura elevada durante un periodo de tiempo determinado, para transformar el tamaño del grano grueso a fino y eliminar los esfuerzos residuales inducidos durante el enfriamiento.

PROPIEDADES DE LOS MÉTALES.

- Son relativamente pesados: Su representación de fases es casi sólida con un porcentaje múy pequeño de vacios (<3%), y las densidades de sus componentes sólidos de 4 a 8 (gr/cm3)

- Buenos conductores de calor y electricidad. El tipo de enlaces que se forman son de tipo metálico por lo cual sus electrones no estan unidos sino que existe una interacción entre ellos que permite el paso de la electricidad y calor.

- DUCTILIDAD. metales que absorben en frió deformaciones sin llegar a romperse (metales que pueden extender se en alambres o hilos). Algunos de los materiales asociados con la ductilidad es el acero y la madera.

- FRAGILIDAD. Propiedad que poseen los cuerpos cuando al aplicar carga se rompen sin deformación plástica previa, depende de la fuerza de unión entre sus moléculas, la temperatura a la cual fundió el sólido, distribución de grietas y discontinuidades. Algunos métales que poseen esta propiedad son el hierro colado y los materiales no ferrosos.

- DUREZA. Propiedad de los materiales de resistir a ser atravesado (cortado, labrado, comprimido) por otro sólido.

- MALEABILIDAD

- TENACIDAD

- PROPIEDADES MECÁNICAS. En general se valora su resistencia a tensión.

Material Esfuerzo de Fluencia

Esfuerzo Máximo

% de alargamiento o

deformaciónHierro Blanco sin alear 408 --- 0.0Hierro gris fundido 816 --- 0.0Hierro gris templado 204 --- 0.4Acero Simple 1530 2960Acero inoxidable austenitico 5274 7742ASTM A-7 2320 4222- 5070 21ASTM A-36 2531 4080 - 5100 20ASTM A-131 2250 4080 - 5000 18ASTM A-283 2241 4222 - 5100 20Acero de alta Resistencia 4200 6000 9Bronce comercial 4528 5253 0.06Laton amarillo 1542 3580 1.12Bronce Arquitectónico 1458 4386 0.59

Composición de la capa terrestre.

Se entiende por capa terrestre o costra terrestre a la capa superficial que envuelve a la tierra hasta una profundidad de 16 Km; Algunas zonas de esta capa o costra contienen altas concentraciones de metales a los que se les conoce como depósitos minerales.

La  extracción de estos minerales se conoce como minería y se lleva a cabo mediante los sistemas de excavación subterránea o de tiro abierto. Existen dos tipos de minería: la selectiva, en la cual se trabajan pequeñas vetas o camas de mineral de alta concentración y la masiva, en la cual se extraen grandes cantidades de mineral de baja ley para extraer junto con ellos las porciones de alta concentración.Entre los minerales ferrosos mas importantes tenemos:

Hematita (Fe2O3)  70.0% Fe

Magnetita (Fe2O4) 72.4% Fe

TaconitaEs un mineral ferroso embebido en una matriz cuarzosa de compuestos  silicosos y es la propia fuente de la Hematita y la Magnetita; su contenido de Fe es de aproximadamente 30%.

El Acero y su Manufactura.

Se puede aprender mucho de la metalúrgica de la soldadura si se entiende como se producen los distintos tipos de acero, ya que algunos de los procesos químicos que ocurren durante la elaboración del acero se repiten durante la operación de la soldadura.

El Alto Horno

El mayor porcentaje de arrabio producido comercialmente proviene de altos hornos. El tamaño de un alto horno moderno es de aproximadamente 30 Mts. de altura y un diámetro interior de 10 Mts.; su cubierta exterior es de acero y su interior esta recubierto con densos ladrillos refractarios, duros y de alta calidad, diseñados especialmente para este tipo de servicio extra-pesado.

El tiempo que se pueda operar continuamente un alto horno depende de la vida util del material refractario que normalmente permite a os altos hornos operar sin interrupción por periodos de entre 3 y 7 anos.Hornos de Aceración

Para purificar el arrabio y la chatarra se utilizan diversos tipos de hornos, entre los mas conocidos están el Siemens-Martin, el Horno Eléctrico y el BOF o convertidor básico.

El horno Siemens-Martin tiene la ventaja de eliminar el fósforo, producir composiciones de acero mas exactas y utilizar chatarra, lo cual es cada vez mas útil dada la importancia que ha alcanzado el reciclaje.

El horno eléctrico emplea grandes electrodos de grafito para producir un arco de gran intensidad que funde la carga, La ventaja de este horno se fundamenta en que es mucho mas sencillo mantener y controlar en su interior la atmósfera ya sea oxidante o reductora; El fósforo se puede eliminar con una escoria oxidante y el azufre con escoria reductora.

El BOF (mas ampliamente usado) o Convertidor Básico a Oxigeno es el mas común. Grandes avances se han logrado en los procesos de aceración gracias al uso de inyección de oxigeno puro en lugar de aire; este método permite la producción de grandes toneladas de acero con bajo contenido de nitrógeno.

Acabado y desoxidación del Acero

Después del proceso de refinación el acero queda saturado de oxigeno, mientras mas bajo el contenido de carbón en el acero mas alto será su contenido de oxigeno y para cualquier contenido de carbón el contenido de oxigeno es mayor en el acero en estado liquido que en estado sólido, por lo tanto, para evitar burbujas de gas atrapadas en el metal, una cantidad sustancial de oxigeno debe eliminarse. Existen 5 maneras distintas para eliminar el oxigeno del acero en fusión:

1.Acero Efervescente: La manufactura de este acero consiste en vaciar el acero liquido, con alto contenido de oxigeno, en lingoteras (moldes). El acero entonces, forma un lingote que empieza a solidificarse desde afuera hacia dentro comenzando por las paredes y fondo

de la lingotera, formando paredes y un fondo de hierro casi puro. Como resultado de esto el acero, aun liquido  en el centro del lingote  se segrega casi todo el carbón, sulfuro y fósforo. El oxigeno reacciona con el carbón formando monóxido de carbono que queda atrapado en la masa del lingote al solidificarse y que desaparece durante los subsecuentes procesos de laminación en caliente.

2.Acero Semi-Efervescente: Cuando se fabrica este acero la intención es regular la cantidad de oxigeno en el metal fundido de manera de detener la acción efervescente. Esto se logra mediante el uso de una tapa pesada, o tapa fría que se coloca por solo unos minutos en la parte superior de la lingotera después que se ha solidificado solo una pequeña capa adyacente a las paredes y fondo de la lingotera, formando una piel de acero casi puro. De esta manera se obtiene un lingote de acero con un centro no tan segregado como en el acero efervescente. Estos aceros se utilizan en aplicaciones que requieren una excelente superficie y donde la heterogeneidad del acero efervescente seria perjudicial.

3.Acero Calmado: Este acero se fabrica eliminando o convirtiendo completamente el oxigeno antes de la solidificación para prevenir la acción efervescente; Esto se logra generalmente agregando silicio en forma de ferro silicio en el horno, el silicio se combina con el oxigeno para formar sílice (SiO2) la cual es expulsada con la escoria, dejando un metal denso y homogéneo.

4.Acero Semi-Calmado: Este acero esta en un punto intermedio entre el acero efervescente y el acero calmado, este al solidificarse muestra una menor contracción produciendo una cavidad o depresión de menor tamaño en la parte superior del lingote.

5.Acero desoxidado al Vacío: El objeto de la desoxidación al vació es eliminar el oxigeno sin dejar inclusiones de compuestos no metálicos, de esta manera se obtienen aceros muy limpios para usos especiales.

Tipos de Aceros

Clasificación de los Aceros

Existen cuatro grandes clasificaciones de aceros básicos: Aceros al Carbón, Aceros de Baja Aleación, Aceros de Alta Aleación y Aceros Herramienta.El Acero es básicamente una aleación de Hierro y Carbón; el carbón es el responsable de la respuesta del acero a los tratamientos de endurecimiento, por esta razón tan importante el principal tipo de acero es el Acero al Carbón común.

1.Acero al Carbón: Los aceros al carbón varían desde el 0.005% al 1.80% de contenido de carbón, aceros con contenidos mayores se clasifican como Hierros Colados.Los aceros al carbón contienen menos del 1.65% de Manganeso, 0.6% de Silicio y 0.6% de Cobre, cabe recordar que además de fabricarse en varios tipos de hornos, los aceros al carbón pueden terminarse o desoxidarse como acero efervescente, semi-efervescente, calmado, semi-calmado y desoxidado al vacío; tanto el tipo de horno usado como el proceso de desoxidación afectan las características y propiedades del acero. Sin embargo, el mayor cambio de propiedades lo determina el contenido de carbón; al aumentar el contenido de carbón también aumenta la resistencia y su dureza.

2.Aceros de Baja Aleación: Estos aceros contienen pequeñas cantidades de elementos específicos de aleación para obtener mejoras considerables en sus propiedades. Estos elementos de aleación se pueden incorporar en el acero por varias razones: mejorar propiedades mecánicas, aumentar o disminuir su respuesta a los tratamientos térmicos, mejorar su resistencia a la corrosión, etc.El acero de baja aleación se define primero como un acero en el cual el contenido máximo especificado para los elementos de aleación excede uno o mas de las siguientes cantidades: (Mn - 1.65%), (Si - 0.6%) y segundo como un acero con un contenido definido de elementos de aleaciones tales como Al, Ni, Mo, Ti, W, V, Zr y otras aleaciones, un gran numero de estas aleaciones pueden ser agrupadas en las cuatro aplicaciones siguientes:

a) Acero para construcción.b) Acero automotriz, aviación y maquinaria.c) Acero para baja temperatura.

d) Acero para alta temperatura.

3.Acero de Alta Aleación: Cuando el contenido Cr, Ni o Mn en el acero es 10% o mayor se le considera como acero de alta aleación, entre los aceros de alta aleación mas importantes se encuentran:

a) Aceros Austenitico al manganeso..b) Aceros Inoxidables.c) Aceros resistentes al calor.d) Aceros Herramienta.

Por los altos niveles de elementos de aleación, se recomienda tomar practicas y cuidado especial cuando se sueldan aceros de alta aleación.

La operación del alto horno se basa en la reacción química que se produce entre la carga sólida y el flujo ascendente de gas en el horno. La carga consiste principalmente de: mineral  ferroso, fundente y Coque. El mineral ferroso es oxido de hierro en trozos de aproximadamente 10 cm de diámetro. El fundente es piedra caliza, la cual se descompone en CaO y CO2, la Cal reacciona con las impurezas contenidas en el mineral y en el Coque para formar escoria. El Coque es el combustible ideal para el alto horno, ya que al quemarse produce Gas Co que es el principal agente reductor en la producción de acero. La función básica del alto horno consiste en reducir el oxido de hierro en hierro metálico básico, y eliminar las impurezas contenidas en el metal.

Algunos elementos reducidos ( C, Si, Mn, S, P ) permanecen con el hierro y los elementos oxidados (CaO, CaS, SiO2, Al2O3, MgO, MnO ) se disuelven en la escoria.

Al metal final que se obtiene del alto horno se le llama "arrabio" y tiene aproximadamente esta composición:

Fe C   Mn Si S P

    90 - 95%     3.5 - 4.5%0.5 - 8%0.7 - 3.5%   0.02 - 0.12%   0.1 - 0.9%  

El arrabio se utiliza como punto de partida para otros procesos de purificación o aceración.

Estos minerales son definidos como depósitos naturales de materiales de los cuales pueden ser extraídos comercialmente los metales. A la cantidad de metal contenida en los minerales  se le conoce como "Tenor" o "Ley" y al resto de los compuestos sin valor contenidos en el mismo se le conoce como "Ganga".

Existen minerales ferrosos y no ferrosos, la metalúrgica ferrosa se refiere exclusivamente al hierro y la metalúrgica no ferrosa se refiere a la tecnología de todo el resto de los metales.

Minerales FerrososEl hierro (Fe), es el mas importante y el mas usado de todos los metales. En el mundo se produce un tonelaje 20 veces mayor de hierro que de todo el resto de los metales. Algunas de las razones de esta preponderancia son que: en el mundo existen grandes depósitos de mineral ferroso de alta ley, el mineral ferroso es relativamente fácil de reducir y también que el hierro combinado con el carbón forma una importante cadena de aleaciones útiles.

Especificaciones de los Aceros.

Varias sociedades  de normas son responsables de las especificaciones químicas de los aceros, las normas mas importantes y conocidas son las establecidas por:AISI    Instituto Americano del Hierro y el Acero.SAE   Sociedad de Ingenieros Automotrices.ASTME     Sociedad Americana de Pruebas y Materiales.ASME     Sociedad Americana de Ingenieros Mecanicos.El sistema de clasificación que estas sociedades de normas han establecido se basa en un numero de 4 dígitos en el cual los primeros 2 dígitos representan la composición química de la aleación y los 2 dígitos finales representan el contenido aproximado de carbón, algunas variantes se pueden representar en letras según:

L = Plomo.B = Boro.E = Horno Eléctrico.H = Endurecimiento Garantizado.

La Sociedad americana de Pruebas y Materiales (ASTM) publica especificaciones y pruebas de materiales cubriendo materiales ferrosos y no ferrosos, también la Sociedad Americana de  Soldaduras (AWS) publica sus especificaciones, pero esta ultima se concentra especialmente en soldadura y sus procesos.

Estructura Cristalina de los Metales.

Cuando un metal en estado liquido es enfriado, sus átomos se agrupan en siguiendo un patrón regular de cristalización, entonces decimos que el metal se ha solidificado o cristalizado. Todos los metales se solidifican como materiales cristalinos y cada material posee su propio patrón de cristalización en el caso de los metales este patrón permanece inalterable mientras este en estado sólido.Las formas mas comunes de estructuras cristalinas en metales son la Red Cúbica Centrada, Red cúbica de Caras Centradas y la Red Hexagonal Compacta, otras estructuras cristalinas encontradas en los metales son la Cúbica simple, Tetragonal, Romboidal, Ortorromboidal y sus variantes.

Formas Básicas de los cristales de acero

La estructura cristalina de los metales es responsable de muchas de las principales propiedades de los mismos. A medida que el metal en estado liquido se solidifica, se forman pequeños grupos de átomos  que van formando las redes o cadenas cristalinas creando centros de cristalización o Granos a través de toda la masa del metal y orientándose en todas direcciones; esta cristalización se multiplica uniendo los grupos entre si y el proceso de solidificación termina, a la superficie de contacto entre un cristal y otro se le denomina "limite" o "Borde" del grano.El proceso de enfriamiento afecta el tamaño y posición de los granos y consecuentemente afecta también las propiedades del metal.Propiedades de los Metales

Las propiedades de los metales se pueden dividir en tres grandes categorías:

· Propiedades Mecánicas

· Propiedades Físicas

· Propiedades Corrosivas

Las Propiedades Mecánicas se pueden listar de esta forma:

Resistencia Máxima a la tensión (Ultimate Tensil Strength): Carga máxima que soporta el metal antes de fracturarse.

Deformación (Strain): La cantidad de deflexión experimentada por el metal al aplicársele una carga.

Resistencia a la Fatiga (Stress): Resistencia de un metal o material a la tensión bajo carga dinámica o cíclica.

Modulo de Elasticidad (Modulus of Elasticity): La relación de fatiga a deformación. Entre mas alto el modulo de elasticidad, mas fuerte el metal.

Región Elástica (Elastic Region): Donde la fatiga esta directamente relacionada con la deformación y el metal regresa a su forma original al quitar la carga.

Región Plástica (Plastic Region): La región donde el metal deformado ya no regresa a su forma original.

Limite Elástico (Yield Strength): El limite de comportamiento elástico del metal.

Endurecimiento por Deformación (Strain Hardening): La habilidad de un metal de aumentar su resistencia debido a deformación plástica.

Dureza (Hardness): La resistencia de un metal a la deformación plástica; para medir la dureza se utilizan los procedimientos Brinell, Vickens y Rockwell.

Elongación por Doblez (Bend Elongation): Es la separación entre marcas al doblar una probeta en un arco de 180°

Impacto (Toughness): La habilidad de un metal para resistir la fractura al aplicar una carga bajo condiciones desfavorables de absorción de energía y deformación plástica.

Temperatura de Transición de Energía (Energy Transition Temperature): La temperatura a la cual el tipo de fractura de un metal cambia de Dúctil a Frágil.

Fractura (Fracture): La ruptura o separación de un metal en dos o mas partes. Hay dos tipos de fractura: Por esfuerzo cortante y Fractura Fragilizada; en la primera se nota una deformación plástica antes de la fractura y en la segunda esa deformación plástica no ocurre u ocurre en grado mínimo. La fractura por esfuerzo cortante tiene una apariencia sedosa o fibrosa, mientras que la fractura fragilizada tiene una apariencia granular o cristalina.

Propiedades Físicas

Densidad (Density): Relación Peso / volumen.

Conductividad Térmica (Thermal Conductivity): La relación de comportamiento en como se transmite el calor en la masa metálica.

Coeficiente de Expansión (Coefficient of Expansion): La relación de cambio dimensional de un metal sujeto a cambio de temperatura.

Propiedades Corrosivas

Las propiedades corrosivas de un metal determinan el grado de ataque por reacción química o electroquímica del medio que lo rodea. Debido a que la resistencia a la corrosión es muy importante al planear el servicio de una estructura soldada, es necesario conocer que aleaciones son resistentes a los distintos ataques corrosivos. Es importante hacer notar que el metal de soldadura, el metal base y la zona de calor afectada por el calor (HAZ) pueden comportarse de manera muy particular cada una en un medio de corrosivo determinado.

Efecto de algunos de los elementos de aleación en los aceros.

Carbón (C): Es el elemento de aleación mas efectivo, eficiente y de bajo costo. En aceros enfriados lentamente, el carbón forma carburo de hierro y cementita, la cual con la ferrita forma perlita. Cuando el acero se enfría mas rápidamente, el acero al carbón muestra endurecimiento superficial. El carbón es el elemento responsable por la alta dureza y alta resistencia del acero.

Manganeso (Mn): Esta presente en casi todas las aleaciones de acero y constituye uno de sus elementos indispensables. El Manganeso es un formador de austenita y al combinarse con azufre previene la formación de sulfuro de hierro en los bordes del grano, el cual es altamente perjudicial durante el proceso de laminación. El Manganeso se usa para desoxidar y aumentar la capacidad de endurecimiento del acero.

Silicio (Si): Es un formador de ferrita y se usa para desoxidar, también aumenta la capacidad de endurecimiento mejorando las propiedades mecánicas del acero.

Cromo (Cr): Es un formador de ferrita y aumenta la profundidad de endurecimiento; también aumenta la resistencia a altas temperaturas y a la corrosión. El Cromo es un elemento principal de aleación en aceros inoxidables y debido a su capacidad de formar carburos se utiliza en revestimientos o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste.

Níquel (Ni): Es el principal formador de austenita, este elemento aumenta la tenacidad y resistencia al impacto, por eso es el elemento mas efectivo para mejorar la resistencia del

acero a las bajas temperaturas. El níquel también utiliza en los aceros inoxidables para aumentar la resistencia a la corrosión. El níquel presenta propiedades únicas para soldar Hierros Colados.

Molibdeno (Mo): Aumenta fuertemente la profundidad de endurecimiento del acero, así como su resistencia al impacto, por eso es el elemento mas afectivo para mejorar la resistencia del acero a las bajas temperaturas, reduciendo, además, la perdida de resistencia por templado. Los aceros inoxidables austeniticos contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión.

Vanadio (V): Promueve la formación de grano pequeño y reduce la perdida de resistencia durante el templado; además, aumenta la capacidad de endurecimiento, también es un formador de carburos que imparten resistencia al desgaste en aceros herramientas.

Cobre (Cu): Mejora la resistencia a la corrosión de aceros al carbón.

Fósforo (P): Se considera un elemento perjudicial en los aceros, ya que reduce la ductilidad y la resistencia al impacto. Sin embargo, en algunos aceros se agrega deliberadamente para aumentar su resistencia a la tensión y mejorar la maquinabilidad.

Azufre (S): También se considera como elemento perjudicial en las aleaciones de acero. Sin embargo, en ocasiones se agrega hasta 0.25% de azufre para mejorar la maquinabilidad. Los aceros altos en azufre son difíciles de soldar y en su presencia en la soldadura genera porosidad.

Boro (B): Se utiliza básicamente para aumentar la capacidad de endurecimiento cuando el acero esta totalmente desoxidado. Una pequeña cantidad de boro, (0.001%) tiene un efecto marcado en el endurecimiento del acero, el boro también se combina con el carbón para formar carburos que imparten al acero características de revestimiento duro.

Columbio (Nb) (Ta): Se utiliza básicamente en aceros inoxidables austeniticos con el objeto de estabilizar los carburos. Debido a que el carbón disminuye la resistencia anticorrosiva en los inoxidables al agregar Columbio, el cual tiene mayor afinidad con el carbón que el cromo, este queda libre para cumplir con su función anticorrosiva.

Titanio (Ti): También se utiliza para estabilizar y desoxidar acero. Sin embargo, pocas veces se usa en soldadura, ya que el metal de soldadura no se transfiere eficientemente.

Tungsteno (W): Se utiliza para impartir gran resistencia a alta temperatura. El Tungsteno también forma carburos los cuales son excepcionalmente duros, impartiendo al acero una gran resistencia al desgaste para aplicaciones de revestimiento duro o en acero herramienta.

Cobalto (Co): Es un elemento poco común en los aceros, ya que disminuye la capacidad de endurecimiento. Sin embargo, este elemento encuentra su uso en aplicaciones donde se requiere un revestimiento duro para servicio a alta temperatura, ya que produce una gran cantidad de solución sólida endurecedora cuando se disuelve en ferrita o austenita.

Plomo (Pb): Es un ejemplo de elemento casi insoluble en Hierro. Se agrega plomo a muchos tipos de acero para mejorar la maquinabilidad.

Nitrógeno (N): Se agrega en ocasiones al acero para promover la formación de austenita. También puede agregarse a aceros inoxidables para reducir la cantidad de Níquel. El Nitrógeno afecta las propiedades mecánicas del acero.

Aluminio (Al): Se usa principalmente como desoxidante en la elaboración de acero. El Aluminio también aminora el crecimiento del grano al formar óxidos dispersados y nitruros.

MATERIALES CERÁMICOS.

Son materiales inorgánicos, no metálicos manufacturados que se obtienen de un proceso tecnológico que consiste en tres pasos:

- Preparación de la masa cerámica: Se seleccionan minerales compuestos por óxidos de Si, Al, Ca, Mg, Na y K unidos con Carbono, boro, silicio, hidruros, sulfuros y seleniuros. Los minerales son sometidos a operaciones de cribado, lavado, decantación y desecación dependiendo la cantidad y tipo de impurezas que se encuentren en cada yacimiento.

- Modelado en la forma deseada: Los minerales en las proporciones indicadas mezcladas con agua dan origen a una masa plástica que puede modelarse en la forma deseada, desecando el objeto después de su modelado, la plasticidad disminuye gradualmente al reducirse la cantidad de agua.

- Cocción del objeto en hornos adecuados: Al someterse los objetos desecados a una cocción adecuada las propiedades plásticas son irreversiblemente destruidas, los compuestos químicos son unidos con enlaces covalentes e iónicos con el oxigeno a través de una compleja serie de reacciones y transformaciones debidas a la temperatura alcanzada formado un material con características propias

La estructura en el interior de los materiales cerámicos esta definida por cristales de diversos tamaños, formas y naturaleza que constituyen la fase sólida y un sistema de poros y cavidades que constituyen la fase vítrea intersticial ó de vacíos.

En los cuerpos cerámicos no porosos los vacios están aislados entre sí, mientras que en los productos cerámicos porosos los vacíos se intercomunican entre sí y con el exterior evitando la transmisión de calor y de sonido.Una clasificación de los materiales cerámicos por su uso en la construcción se muestra a continuación.

Tabique sólido o hueco hecho Productos de arcilla a mano o mecánicamente Piezas de concreto Bloques sólidos o huecos, tabicón y adoquín Se clasifican de acuerdo a sus propiedades mecánicas Vidrio. Se clasifican de acuerdo a su transparencia,

Fase intersticial

Fase sólida

dureza, rigidez, resistencia al medio ambiente y a la corrosión TRADICIONALES Abrasivos. Son materiales cuya propiedad principal es la dureza para moler o pulir materiales menos duros, se utilizan para eliminar salientes de superficies y hacerlas tersas.CERÁMICAS Ejem. Diamante, granito, esmeril, pedernal y diatomita Refractarios. Se clasifican de acuerdo a la porosidad, composición mineralógica y su porosidad. Se utilizan en hornos industriales sujetos a altas temperaturas

Son compuestos puros o casi puros de óxidos como: Alumina Al2O3, Nitrato de Silicio Si3N4, carburo de Silicio SiC y Zircomita ZrO2. Son resistentes a NUEVAS ó altas temperaturas, sirven de soporte de circuitos TECNOLÓGICAS integrados, forman parte de módulos de conducción térmica, reactores nucleares, colorantes, láseres y películas especiales.

Los diversos productos cerámicos tienen numerosas propiedades en común:

- QUÍMICAMENTE ESTABLES: Carecen de electrones libres de valencia, lo cual origina que sean resistentes al ataque de agentes químicos y atmosféricos.

- ESTABILIDAD VOLUMÉTRICA. Los vacíos intersticiales dentro de su estructura permiten que puedan absorber líquidos sin presentar cambios por expansión o contracción de su fase sólida.

- REFRACTARIEDAD: Es la propiedad de los materiales de soportar la acción del calor sin deformación o reblandecimiento. Los materiales refractarios se clasifican de acuerdo a su capacidad refractaria y porosidad, como se indica en las siguientes tablas:

Grupo Porosidad

Capacidad refractaria

Rango de temperatura

Suprema < 3 %

Normal 1580 – 1770 °C Alta cocmpactación 3 – 10 %

Elevada 1770 – 2000 °C Compacto 10 – 20%

Alta > 2000 °C Ordinario 20 – 30%

Ligero y de aislamiento térmico

45 – 85%

- FRAGILIDAD. Propiedad que poseen los cuerpos cuando al aplicar carga se rompen sin deformación plástica previa, depende de la fuerza de unión entre sus moléculas, la temperatura a la cual fundió el sólido, distribución de grietas y discontinuidades.

- RESISTENCIA MECÁNICA. En general la mayoría de los materiales cerámicos no tienen un uso estructural, debido a que su resistencia a compresión es inferior a la del acero o el concreto. El general su resistencia a compresión y modulo de ruptura en pruebas a flexión se relaciona con el peso volumétrico, % de absorción en Agua fría, % de absorción después de 5 horas en ebullición y Coeficiente de saturación. La comparación entre estas propiedades de las piezas de cerámica y concreto se muestran en la siguiente tabla:

Peso volumétrico kg/m3

Resistencia a

compresión

(kg/cm2)

Modulo de

ruptura kg/cm2

% de absorción en agua fría

% de absorció

n en ebullició

n

Coeficiente de

saturación

Tabique hecho a mano 1400– 1500

50 - 70 10 – 15 20 - 25 25 - 30 80 – 84

Tabique hecho mecánicamente

--- 90 - 175 --- 17-25 17-25 78-90

Bloques huecos o macizos de concreto ligero

--- 100 mín 8 9 - 20 --- ---

Nota: El coeficiente de saturación se obtiene a partir de los pesos saturados después de 24 hr y

Las piezas de cerámica de arcilla o concreto se utilizan para la construcción de muros en edificios o viviendas. Su clasificación de acuerdo al RCDF es:

Estructurales Exteriores reforzados interiormente (piezas huecas) Muros No estructurales Interiores confinados (con dalas y castillos)

- ELEVADA DUREZA. Esta propiedad se aplica principalmente para los materiales abrasivos, los cuales deben moler y pulir materiales menos duros.

- BAJA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Y ELÉCTRICA

MADERA.

La madera natural o procesada proviene de los troncos de los árboles. La madera consiste en 550% de carbono, 44% de oxigeno, 6% de hidrógeno y 0.1% de nitrógeno en masa seca, estos elementos forman compuestos químicos complejos de los cuales el mayor porcentaje lo constituyen dos polímeros denominados Celulosa (60%) y Lignita (28%), como se muestra en la figura No. 1.

Fig. No. 1: Compuestos químicos de la madera

Los elementos constitutivos mayores forman microfibras que se pueden observar a través de microscopios electrónicos de barrido o de transmisión. Las paredes celulares de la madera consisten en una armazón (celulosa), en una matriz (hemicelulosa) cementada por lignita e incrustaciones extractivas. Se desconoce la estructura cristalina de las microfibras, se supone que están compuestas de empaques de unidades de cadenas de celulosa de sección transversal de 3.5 x 3.5 nm llamadas

El volumen de la madera consiste principalmente por 90% de células longitudinales o traqueidas entre 32 y 5 mm en longitud. Las células transversales o parenquimas forman el 10 % su longitud varia entre 200 y 300 μm

La microestructura interna de la madera y su composición química explica la anisotropía de este material en las direcciones tangencial, radial y transversal, presentando una apariencia diferente si se realiza un corte transversal en el tronco del árbol se distinguen cuatro partes: la medula es la parte central del tronco y es el tejido alrededor del cual crecen la primera madera en el tronco; anillos de crecimiento o de desarrollo anual, consistente en maderas de primavera y verano cuyo grosor depende de la cantidad de humedad y minerales absorbidos durante un año, y la corteza que es la porción externa del tronco que tiene como función aislar y proteger la corteza interior contra daños externos.

La albura es la sustancia con nutrientes, el cambium son las células vivientes que originan todo el crecimiento de la madera y la corteza transportando la albura desde las raíces hasta las hojas y almacena los nutrientes en la corteza donde se transforma en savia y desciende por células que envuelven al tronco (xilema)

PROPIEDADES FÍSICAS DE LA MADERA.

MADERA

Elementos constitutivos mayores Elementos constitutivos menoresy extractivos

Polisacáridos Lignina

28% de su peso Grasas, resinas Sustancias inorgánicas Polímero complejo de y otros pecticas y protéinicas

Celulosa Hemicelulosa grandes dimensiones

60% de su peso Es una matriz de sin carbohidratos que Constituyen el 4% de su peso seco

Polímero lineal C6H10O5 polímetros ramificados cementa a los filamentos Son sustancias que no forman parte de las

enlazado por fuerzas de Van no lineales que de la celulosa, paredes celulares y rellenan vacíos. Son los

der Walls y puentes de sostiene los hemicelulosa y responsables del olor, color, sabor, resistencia

hidrogeno, son de filamentos de extractivos a la intemperie y higroscopicidad de la madera.

aspecto filamentoso en la celulosa

cadenas helicoidales

a. DENSIDAD. Aunque el peso de las fibras que conforman la madera es 1.53 veces el peso del agua, el peso especifico de las diferentes especies de madera lo determinan las diferencias de disposición, tamaño y espesor de las células huecas así como su contenido de humedad, la densidad relativa varia entre 0.3 y 0.9 (gr/cm3)

b. HUMEDAD. La madera no es un sólido continuo, sino que contiene grandes vacíos en forma de vasos longitudinales y transversales entre sus fibras formadas por celulosa que es hidrófila por lo que absorbe grandes cantidades de agua logrando que su rigidez disminuya y sea susceptible a cambios volumétricos.

La humedad que puede ser almacenada dentro de estos vacíos varios entre el 25 al 35% de su masa, pudiendo absorber agua hasta un 800% de su saturación de las fibras.

Las maderas con un contenido de humedad correspondiente a su saturación originan que la fibra se contraiga y a contenidos mayores se expanda. Los valores promedio de contracción son 0.4 en dirección longitudinal, 4.0 en longitud transversal y 11% en dirección transversal, provocando estados de esfuerzo y anormalidades en la madera.

Para evitar cambios de volumen en la madera, esta se cura o se seca antes de ser usada disminuyendo el efecto de variaciones volumétricas posteriores por cambios en la humedad atmosférica estableciendo un estado de equilibrio entre 13°C y 18°C. El secado se lleva a cabo en hornos a temperaturas del orden de 70-82°C produciendo perdida de líquidos en las paredes celulares y finalmente se utilizan aceites derivados del carbón de minas (alquitrán), soluciones de petróleo (PENTACLOROFENOL) Y SOLUCIONES ACUOSAS SALINAS (CLORO DE ZINC) PARA PROTEGER LA MADERA DEL ATAQUE DE HONGOS.

a) DEFECTOS. La madera se ve afectada por la longitud de las celdas de las moléculas polimétricas, la cantidad de humedad absorbida, el Angulo de las fibras y la proporción de celulosa, los cuales originan defectos microscópicos dentro de su estructura, son cualquier irregularidad que afecte su durabilidad o resistencia los cuales se pueden clasificar como:

1. Nudos. Son las inclusiones de los inicios de las ramas del tronco.2. Grietas, son aberturas paralelas a los radios.3. Rupturas, son separaciones entre los anillos de crecimiento4. Frenos. Son las separaciones longitudinales que atraviesan los anillos de

crecimiento5. Bolsas de resinas, son huecos con o sin resina6. Madera de tensión o de compresión. Indica anormalidades estructurales en el

crecimiento de los árboles originadas por fuerzas externas como el viento o empujes.

b) MASA UNITARIA. varia entre 500 a 800 kg/m3

c) AISLANTE AL CALOR Y ELECTRICIDAD.

CLASIFICACIÓN DE LA MADERA. De acuerdo al tipo de árboles de los cuales se extraen, la madera se clasifican en:

Anillo Anual

Contracción tangencial

Contracción radial

Contracción radial

Contracción tangencial

Contracción longitudinal

Figura 2. Defectos de la madera

d) CONFIERAS ó MADERA BLANDA. Proveniente de árboles exógenos de climas templados, que tienen apariencia siempre verde como el pino, o caducos que pierden el follaje al final de cada estación de crecimiento. Su crecimiento se refleja en la formación de anillos en el tronco a base de fibras radiales

e) LATIFOLIADAS ó MADERA DURA: Se extrae de arbolen endogenos de clima tropical, estan formados por fibras entretejidas que conjuntan anillos de crecimiento casi uniformes que pueden no ser anuales pero si periódicos, aunque no se distinguen tan claramente como los formados en los troncos de un arbol exogeno,

Los términos de madera blanda y madera dura no indican el verdadero grado de dureza de las diferentes especies de los árboles, ya que se tienen características diferentes entre maderas provenientes de la misma especie de árboles.

FORMAS COMERCIALES DE LA MADERA. De acuerdo a su uso en la construcción, las formas comerciales de la madera se clasifican en cuatro tipos:

ASERRADO SIMPLE: corte de la madera tangencial a los anillos de crecimiento anual1. MADERA ASERRADA ASERRADO POR CUARTOS: madera cortada radialmente respecto a los anillos de crecimiento ASERRADO CONTINUO. El aserrado es similar al aserrado por cuartos

La madera aserrada solo se utiliza cuando los claros por cubrir son menores del diámetro del tronco

2. MADERA CONTRACHAPADA (triplay): Se designa al material hecho con chapas (laminas de madera en forma de hojas), unidas entre sí permanentemente. Actualmente ya se puede impregnar y adherir laminas metálicas y de otros materiales, moldearla en diferentes formas para cumplir con una gran variedad de requisitos estructurales empleándose en muros, techumbres, pisos y cimbras.

La madera contrachapada trata de eliminar las diferencias anisotrópicas de la madera logrando un material con uniformidad de resistencia en los sentidos longitudinal y transversal de la chapa, la estabilidad dimensional se mejora ligeramente, presenta una menor disminución en los costos de mano de obra para cubrir una mayor área.

3. MADERA LAMINADA: Es fabricada a base de tiras delgadas de madera de 5 cm de lado, que son pegadas en tal forma que se pueden introducir secciones estructurales de cualquier tamaño y longitud. Las propiedades mecánicas de los laminados son superiores a las de las maderas aserradas ya que algunos defectos son eliminados cuando se fabricas, colocando la madera de mejor calidad en los lugares donde se presentan los esfuerzos máximos para flexión y para cargas axiales. Se tiene un control de calidad durante su fabricación de manera que la humedad sea menor de 16% antes de ser pegadas.

4. CONGLOMERADOS. Aserrín unido con pegamentos o resinas, generalmente se cubre con chapas o con laminas de formica para tener una mayor durabilidad, aunque no tiene un uso estructura.

PROPIEDADES MECANICAS. La madera tiene una alta relación resistencia / peso, aunque dependen de la magnitud y forma de aplicación de las cargas con respecto a las fibras, teniendo un mejor comportamiento cuando se aplican las cargas paralelas a las fibras que en forma perpendicular, El reglamento de construcciones del DF, propone los siguientes valores indicados en las tablas para elementos estructurales de madera

MADERA DE ESPECIES CONFIERAS Clase A Clase BFlexión f ‘ fu 170 100Tensión paralela a la fibra f ‘ tu 115 70Compresión paralela a la fibra f ‘ cu 120 95

Compresión perpendicular a la fibra f ‘ nu 40 40Cortante paralelo a la fibra f ‘ vu 15 15Modulo de Elasticidad promedio E 0.50 100,000 80000Modulo de elasticidad correspondiente al 5º. Percentil

E 0.05 65,000 50000

MADERA DE ESPECIES LATIFOLIADAS Grupo I Grupo II Grupo IIIFlexión f ‘ fu 300 200 100Tensión paralela a la fibra f ‘ tu 200 140 70Compresión paralela a la fibra f ‘ cu 220 150 80Compresión perpendicular a la fibra f ‘ un 75 50 25Cortante paralelo a la fibra f ‘ vu 25 20 12Modulo de Elasticidad promedio E 0.50 160000 120000 75000Modulo de elasticidad correspondiente al 5º. Percentil

E 0.05 120000 85000 50000

MADERA CONTRACHAPADAFlexión f ‘ fu 190Tensión f ‘ tu 140COMPRESIONEn el plano de las chapas f ‘ cu 160Perpendicular al plano de las chapas f ‘ nu 236CORTANTEA través del grosor f ‘ vu 20En el plano de las chapas f ‘ ru 5Modulo de Elasticidad promedio E 0.50 105000Modulo de rigidez promedio G 0.05 5000

Perpendicular al granoTensión

Paralela al granoCortante

Paralela al grano FlexiónCompresión

Figura 3. Especímenes de madera para diferentes condiciones de carga