CLASE Nº 1CLASE Nº 1

MATERIAL PÉTREOMATERIAL PÉTREO

UNIDAD IUNIDAD I Características y Propiedades Características y Propiedades

de los Materialesde los Materiales

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EL MATERIALEL MATERIALLa piedra es probablemente junto con la madera el primer material usado por el ser humano para construir herramientas y utensilios.No obstante su uso en estructuras como casas, corrales, templos o caminos es bastante posterior, llegando a concretar ejemplos magníficos de ingenio y manejo del material, como en las pirámides egipcias y mesoamericanas, los templos griegos, los acueductos romanos o las catedrales góticas.

Stonehenge, 2300 AC

Pirámides de Giza, 2600-2500 AC

Pirámide del Sol, 100-150 DC

Machu Picchu, 1450 DC

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EL MATERIALEL MATERIALAcrópolis, 429 AC. Panteón de Agripa, 125 DC Coliseo, 70-72 DC

Puentes Romanos, Siglo I AC.

Agha Sofía, 523-537 DC

Acueducto de Segovia, Siglo I DC.

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EL MATERIALEL MATERIALMurallas de Ávila, Siglo XII DC.

Catedral de Toledo, 1226-1493 DC.

Catedral de Chartres, 1194-1260 DC.

Catedral de Notre Dame, 1163-1255 DC.

Basílica de San Pedro, 1503-1626 DC.

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EL MATERIALEL MATERIALTaj Mahal, 1631 - 1654 DC. Gran Muralla, S.V AC – S.XVI DC.

Palacio de Versalles, 1668 - 1680 DC. Arco del Triunfo, 1806 - 1836 DC.

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ORIGEN DE LAS ROCASORIGEN DE LAS ROCASLas piedras y rocas provienen de la descomposición de la roca madre, o sea, de la corteza terrestre. La teoría de las placas tectónicas establece que la corteza está fracturada en varias placas que se mueven lentamente una respecto a otra, provocando los fenómenos sísmicos y volcánicos.

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ORIGEN DE LAS ROCASORIGEN DE LAS ROCASBajo la corteza terrestre se encuentra el magma, material fundido a altas temperaturas que puede subir a la superficie a través de grietas en forma de lava, de cuyo enfriamiento se forman las rocas ígneas extrusivas, que se diferencian de las rocas ígneas intrusivas en la velocidad y lugar de su enfriamiento.

Las rocas de basalto o basálticas son el tipo más común de rocas ígneas extrusivas (color oscuro). La roca ígnea intrusiva más común sobre la superficie de la Tierra es el granito, el que está formado por minerales de silicato comunes, tales como el cuarzo y el feldespato, además de pequeñas cantidades de minerales de mica.

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ORIGEN DE LAS ROCASORIGEN DE LAS ROCASDesde el momento mismo que las rocas eruptivas afloran a la superficie de la tierra comienza el proceso de descomposición.

Hay factores externos tales como acción del agua, del viento, cambios de temperatura y los mismos seres vivos.

Hay también factores internos tales como deficiencia de electrones en uno de los constituyentes, fallas en la conformación de los cristales (defectos cristalinos) y naturaleza del elemento metálico.

Una de las formas más simples de desintegración de la roca es por acción mecánica, ya que su propia estructura facilita los cortes poliédricos al producir hendiduras.

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ORIGEN DE LAS ROCASORIGEN DE LAS ROCASLa disgregación mecánica se efectúa en tres etapas: disyunción, desintegración granular y fragmentación.

a) Disyunción en bloques. En casi todas las rocas existe una red de hendiduras (grietas o diaclasias) que divide la masa en poliedros más o menos regulares. La forma de esta red depende de la naturaleza de la roca. Las hendiduras aparecen en la medida que van actuando los agentes externos.

b) Desintegración granular. Una roca es un conjunto de granos unidos entres si por la acción de moléculas en estado caótico ubicadas junto a la superficie de los granos, constituyendo el espacio intergranular. Por efecto de los agentes externos, los granos se van separando constituyendo arena. Mientras más pequeños son los granos, mayor es el espacio intergranular y mayor es también la disgregación granular.

c) Fragmentación. Por la acción química de los agentes atmosféricos, los granos son atacados y transformados en otros minerales.

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ORIGEN DE LAS ROCASORIGEN DE LAS ROCASEn esto juego un papel fundamental el clima, ya que provoca la meteorización de las rocas, o sea, cambios profundos como consecuencia de los ciclos de hielo deshielo, la acción del agua, del viento, de ácidos u otros elementos propios del ambiente.

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ORIGEN DE LAS ROCASORIGEN DE LAS ROCAS

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TIPOS DE ROCASTIPOS DE ROCASROCAS SEDIMENTARIAS.Todas las rocas sedimentarias se forman en la superficie de la tierra y toda la materia que las constituyen provienen de la corteza terrestre. Por eso se llaman también rocas exógenas.Por provenir de la desintegración de otras rocas, no muestran granos pues sus cristales son pequeñísimos. Es frecuente encontrar restos fosilizados de vegetales y animales.Por su origen se las agrupa en rocas detríticas, químicas y orgánicas:

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TIPOS DE ROCASTIPOS DE ROCASROCAS SEDIMENTARIAS.a) Rocas detríticas. Se originan por la destrucción mecánica de

rocas eruptivas. Ejemplos: arenas, gravas, conglomerados y areniscas.

b) Rocas químicas. Se forman por acción química o disolución y posterior precipitación en otro lugar. Ejemplos: arcillas, calizas, yeso, dolomita, etc.

c) Rocas de origen orgánico. Proceden del depósito de caparazones de pequeños protozoos, moluscos y algas. Ejemplos: trass, tierra de trípoli, kieselghur.

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TIPOS DE ROCASTIPOS DE ROCASROCAS METAMORFICAS.Son rocas eruptivas o sedimentarias transformadas por diversos factores, siendo el más importante la presión. Se producen por transformación de los cristales. Ejemplos: pizarra, mármol.

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TIPOS DE ROCASTIPOS DE ROCASDESCOMPOSICIÓN ARTIFICIAL DE LOS ÁRIDOS.Se puede hacer el trabajo que la naturaleza realiza de forma mucho más rápida con máquinas que trituran piedras de mayor tamaño y las reducen al requerido según el cliente.Estas máquinas se denomina trituradoras, y se diferencian en dos grupos: las trituradoras primarias y las secundarias.

Las trituradoras primarias rompen bloques sacados de las canteras, comprendiendo dos variantes: machacadoras y molinos.

Las trituradoras secundarias consiguen un tamaño menor de áridos y se dividen en granuladoras y gravilladoras.

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PIEDRA ARTIFICIALPIEDRA ARTIFICIALSe denomina así a los materiales que utilizan aglomerantes y áridos (piedras) como materia prima de un nuevo elemento al que se le da una forma determinada, generalmente con un molde, y a la que muchas veces se le dan de antemano características especiales como resistencia, dureza, etc.Dentro de estos el más conocido y utilizado es el hormigón o concreto, material que veremos más adelante en este curso.

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USOS DE LA PIEDRAUSOS DE LA PIEDRALa piedra como material de construcción debe entenderse desde tres usos principales:

- Bloques para ejecución de estructuras.- Chapas para revestimientos de muros y pisos.- Como parte de materiales compuestos.

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PIEDRA PARA ESTRUCTURASPIEDRA PARA ESTRUCTURAS

Para este uso la piedra puede ser la que el hombre recoge y apila de manera natural o aquella que se corta de la cantera (piedra madre).

Es aconsejable saber el origen de la piedra a ocupar, e idealmente conocer sus características en laboratorio.La piedra debe ser homogénea, compactas, sin grietas ni cavidades, resistentes a las cargas y a los agentes atmosféricos.

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PIEDRA PARA ESTRUCTURASPIEDRA PARA ESTRUCTURAS

Las piedras deben ser resistentes al fuego, presentar buena adherencia al mortero de pega (*) y de fácil labrado cuando se requiere dar forma.Se puede emplear con distintos grados de preparación, destacando:

a) La piedra sin labrar (bruta).b) El mampuesto (bloque con una

cara labrada).c) El sillar (bloque totalmente

labrado).

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REVESTIMIENTOS DE PIEDRAREVESTIMIENTOS DE PIEDRA

La piedra como revestimiento para muros y pisos se suele emplear de forma que su superficie queda más o menos rústica, o sea, irregular.Para esto se pueden emplear piedras naturalmente planas y delgadas llamadas lajas, cuyo espesor varía generalmente entre 8 a 15mm y se disponen sobre el paramento a cubrir formando una suerte de mosaico (piedra capricho).También se pueden usar enchapes de piedra cortados con maquinaria especializada, cuyo espesor va entre 12 y 30mm con forma son rectangular.

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PIEDRA COMO AGREGADOPIEDRA COMO AGREGADO

La piedra puede formar parte de materiales compuestos como el hormigón en base a cemento o en concretos asfálticos. En cualquiera de ellos el material pétreo cumple la función de esqueleto soportante, vale decir, le da cuerpo a la mezcla. Por esta razón es que deben cumplir con diversos requisitos físicos y químicos establecidos por diferentes normas. Como la piedra es un material inerte que no debe reaccionar con los otros elementos de la mezcla se le suele denominar como árido. También se le suele llamar agregado, ya que no cumple ninguna función específica más que dar cuerpo a la mezcla.

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PIEDRA COMO AGREGADOPIEDRA COMO AGREGADO

COMPONENTE DIÁMETRO (mm.)

Bloques Sobre 250

Bolones 250 a 76

Ripio 76 a 38

Grava 38 a 19

Gravilla 19 a 9,5

Gravarena 9,5 a 4,76

Arena Gruesa 4,76 a 2,00

Arena Fina 2,00 a 0,42

Arenilla 0,42 a 0,053

Limo 0,053 a 0,005

Arcilla 0,005 a 0,0001

Coloides Menor a 0,0001

Los agregados pétreos se dividen según su tamaño en rocas, bolones, grava, arena y material fino, que incluye limos y arcillas.

ÁRIDO GRUESO

ÁRIDO FINO

MATERIAL FINO

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CARACTERÍSTICASCARACTERÍSTICASEn términos generales, las partículas que conforman un agregado deben cumplir los siguientes requisitos generales o características:

RODADO

CHANCADO

• Tenaces: deben ser resistentes, duras e indeformables. • Peso específico: existen agregados ligeros, normales y pesados

(según su densidad). • Estabilidad físico-química: no deben reaccionar con el agua ni con

los compuestos hidratados de la pasta de cemento o asfalto.• Según su forma se pueden clasificar en material chancado y rodado,

donde el primero tiene forma irregular y el segundo caras lisas y redondeadas.

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CARACTERÍSTICASCARACTERÍSTICAS

Además existen dos propiedades fundamentales:

* Densidad: es la relación entre la masa del conjunto de partículas y su volumen.

* Granulometría: es el estudio de la distribución de tamaños de partículas de un material granular.

5) Pueden ser de origen natural o artificial, aunque generalmente se preferirán los primeros. 6) Superficie específica: la superficie específica es la suma de las superficies de las partículas por unidad de masa. A mayor superficie específica mejor será la adherencia al aglomerante, pero al mismo tiempo es mayor la demanda de aglomerante. 7) Contaminación superficial: las partículas que provienen de chancado artificial pueden contener cantidades excesivas de polvo en la superficie lo que reduce la adherencia al aglomerante.

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DENSIDADDENSIDADLa densidad (d) se define como:

Siendo m la masa y v el volumen del conjunto. Sin embargo, en el caso de material particulado como los agregados pétreos se tienen dos densidades:Densidad real: es la densidad considerando el volumen de material sólido, incluyendo los poros inaccesibles existentes en su interior.Densidad aparente: es la densidad considerando el conjunto de partículas y los espacios entre ellas. En este caso se identifica la densidad aparente suelta y la densidad aparente compactada.

d = m v

Valores promedio de la densidad de material pétreo de la zona central

Material Densidad real T/m3 Densidad Aparente T/m3

Arena 2,65 1,65

Grava 2,75 1,75

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GRANULOMETRÍAGRANULOMETRÍAMediante la granulometría se puede determinar la distribución porcentual de los tamaños de partículas contenidas por un agregado. Para el estudio de la granulometría se utilizan tamices de acuerdo a las series dadas por la norma NCh 165. No obstante, en Chile no se fabrican tamices y se acepta la utilización de las series dada por la norma ASTM C- 33, presentada en la siguiente tabla:

Grava Arena

NCh 165mm

ASTMC - 33

NCh 165mm

ASTMC – 33

8063504025201310

3” 2 ½ “

2” 1 ½ “

1” ¾ “½”

3/8”

5 2,5

1,1250,6300,3150,160

# 4 (4,76)# 8 (2,36)

# 16 (1,18)# 30(0,600)# 50(0,300)

# 100(0,150)

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GRANULOMETRÍAGRANULOMETRÍAa) Arena 0 – 5mm. b) Arena con gravilla

0 – 10mm. c) Gravilla 5 – 10.

d) Gravilla 10 – 20.

AA BB

CC DD

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GRANULOMETRÍAGRANULOMETRÍAPara el análisis granulométrico se debe hacer pasar una muestra de material seco, de masa conocida, por la serie de tamices correspondiente y luego determinar el porcentaje que pasa acumulado por cada tamiz como se muestra en la siguiente tabla:

Tamiz Peso

Retenido(Gramos)

%retenido

%Retenido

acumulado

 %que pasa

acumulado

3/8" 0 0 0 100

# 4 15 3 3 97

# 8 110 22 25 75

# 16 80 16 41 59

# 30 55 11 52 48

# 50 95 19 71 29

# 100 105 21 92 8

Bajo # 100 40 8 100 0

Total muestra 500 100    

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GRANULOMETRÍAGRANULOMETRÍACon el Porcentaje que pasa acumulado se hace un gráfico en escala semi-logarítmica como la que se muestra en la siguiente figura:

Un buen hormigón debe considerar áridos con una granulometría heterogénea, vale decir, que contenga material fino, intermedio y grueso, de manera que los granos de menor tamaño rellenen los espacios que dejan los más grandes, consiguiendo una mezcla sólida y con ahorro de cemento, que es el componente más fino y más caro.

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GRANULOMETRÍAGRANULOMETRÍAPara completar la caracterización de una granulometría y establecer si es adecuada para su uso en mortero u hormigón se deben calcular los siguientes indicadores:

Módulo de finura (MF): indica que tan fino o grueso es un material granular. Es muy útil en arena. Para las arenas se calcula con la siguiente expresión:

En el caso de las arenas, si el resultado es menor que 2,5 se considera arena fina, si es mayor que 3 se trata de una arena gruesa y si está entre 2,5 y 3 es media. Se considera óptimo un MF = 2,75.

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GRANULOMETRÍAGRANULOMETRÍAGraduación de un agregado: un agregado bien graduado contiene partículas de todos los tamaños, de esta manera se logra la mayor compacidad. Para determinar si un agregado es bien graduado o mal graduado se deben calcular los siguientes coeficientes:Coeficiente de Uniformidad: se calcula como:

Siendo D60 la abertura de tamiz por la que pasa el 60% de la muestra y D10 la abertura de tamiz por la que pasa el 10% de la muestra.Coeficiente de Curvatura:

Siendo D 30 la abertura de tamiz por la que pasa el 30% de la muestra.

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GRANULOMETRÍAGRANULOMETRÍASe estima que un agregado es bien graduado si se cumplen simultáneamente las siguientes condiciones:

Material Cu Cc

Arena ≥ 6Entre 1 y 3

Grava ≥ 4

Para garantizar que un material tendrá un comportamiento adecuado, la norma NCh 163 establece ciertas bandas recomendadas para las granulometrías de las gravas, arenas y árido combinado (mezclas de arena y grava).

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METALESMETALES