Materials

Marc Costa Ros Materials de Construcció. ETSCCPB 2n Curs Apunts de la Matèria

Materials de Construcció Marc Costa Ros

1


2

Història del Ciment i el Formigó ........................................................................ Estructura del Formigó ....................................................................................... Ciment Pòrtland .................................................................................................. Àrids .................................................................................................................... Formigó Fresc ..................................................................................................... Formigó Endurit ................................................................................................. Mòdul de Deformació .......................................................................................... Estabilitat i Canvis Volumètrics ........................................................................ Additius ................................................................................................................ Mecanismes de Transport i Col·locació .............................................................. Durabilitat ........................................................................................................... Carbonatació ....................................................................................................... Mecanismes de Degradació ............................................................................. Reacció Àlcali – Àrid ........................................................................................ Formigons de Ciment Aluminós ...................................................................... Corrosió ........................................................................................................... Casos Pràctics de Corrosió ........................................................................... EHE-99 ........................................................................................................ Dosificació del Formigó ...................................................................................... Dosificació del Formigó II (ACI) .............................................................. Gestió Mediambiental dels Materials ......................................................... Metalls – Característiques Generals ......................................................... Metalls – Propietats Mecàniques ................................................................. Diagrames de Fases .................................................................................. Aliatge Ferro – Carboni .............................................................................. Acers ........................................................................................................... Tractaments Tèrmics ..................................................................................... Acers Aliats ................................................................................................... Tractaments Superficials ............................................................................. Betum ........................................................................................................ Mescles Bituminoses ..................................................................................... Fabricació de Mescles Bituminoses ............................................................ Dosificació Mescles Bituminoses ............................................................. Anàlisi de les Mescles Bituminoses ............................................................ Tractaments Superficials en els Betums ...................................................... Ceràmica .................................................................................................. Polímers ........................................................................................................ Composites ................................................................................................ La Fusta ...................................................................................................

Annex (a).Dissolucions Tampó ........................................................................................... (b).Formulació (Inorgànica + Orgànica) ..................................................................

Índex

004 – 005 006 – 007 008 – 013 014 – 023 024 – 027 028 – 031 032 – 033 034 – 037 038 – 041 042 – 045 046 – 049 050 – 053 054 – 057 058 – 059 060 – 061 062 – 071 072 – 081 082 – 091 092 – 103 104 – 105 106 – 109 110 – 113 114 – 131 132 – 139 140 – 145 146 – 147 148 – 153 154 – 157 158 – 159 160 – 167 168 – 173 174 – 177 178 – 187 188 – 191 192 – 193 194 – 207 208 – 221 222 – 225 226 – 235 238 240 – 243


3


4

MH = CaO ≈ 2 SiO2+ Fe2O3 + Al2O3

Història del Ciment i el Formigó

Origen paraula ciment: Romans. Ve de “cedere” i designava el conjunt de pedra, maó i teula trencada aglomerant amb pols de ceràmica [Opus Caementitium]

A França al principi de l’edat mitjana: “Cimentum”: Ciment, però amb el mateix significat,

l’aglomerat es la pols de maó i teula.

A Anglaterra s. XVIII James Parker (1796): Patent de la calç hidràulica (argila més calç) amb el nom de “ciment romà”. Smeaten (1791): Crida l’atenció sobre la importància de la proporció d’argila en la calç hidràulica. Joseph Aspdin (1824): Ciment Pòrtland (similar a la Calcárea de Pòrtland). Els òxids d’alumini i

de ferro es fonen i els silicats i la calç es dissol en el líquid d’òxids: Patent del Ciment Pòrtland [Contingut fix d’òxids d’alumini i ferro, de silicats i de calç] ).

A Alemanya

Wilhelm Michaelis (1865): Mòdul d’hidraulicitat. Passo importants en l’assaig de resistència. :

Erichlangen (1875): Importància de l’addició d’escòria de forn alt que té propietats hidràuliques.

Activació alcalina de la escòria. Evolució dels forns- Progrés industrial

Formigó de Ciment Pòrtland

1850: Pedres de Formigó, llambordes. És el primer prefabricat. 1855: Lambot patenta el primer Formigó Armat amb ferro. 1856: Primera Carretera de Formigó a Escòcia 1867: Monier patenta els testos de Formigó Armat. 1875: Primer Pont de Formigó Armat a França (Chazelet) amb ferro. 1877: Bigues de Formigó Armat amb acer a Alemanya. 1877: Hyatt (Usa), primeres lleis per armar les seccions per resistir traccions. 1886: Primera publicació teòrica del Formigó Armat (Koenen). 1886: Publicació de les idees bàsiques del Pretensat. [Barra de formigó armat: La flexió i ta tracció

la suporta l’acer, mentre que la compressió el formigó] 1887: Construcció de un vaixell de Formigó Armat de a Holanda. 1889: Primer morter airejat.

Formigó Pretensat

1919: Westein 1936: Construcció del primer Pont Pretensat a Alemanya.

Ciència del Formigó

René Feret (1861-1947) [França] Fuller [USA] i Dyckerhoff [Alemanya]: La granulometria dels àrids [Implica més eficiència]. Duff.A.Abrams (1881-1965) [USA]

1970: Superplastificants i el Silica Fume (microsílice) Formigó d’alta resistència [40 Mp a

1000 Mp, o en alguns casos fins a 2000Mp] 1980: Cendra volant com addició, nous materials per clinkeritzar o per addicionar productes de

Residus. Permet posar menys ciment i aporta més permeabilitat i menys calor d’hidratació.

Apareix el ciment bombejat [Fins 100m verticals i 150m horitzontals]. Permet avançar molt ràpidaemt en ela costrucció de ponts, edificis, ... S. XXI Formigó Sostenible. Reciclatge del formigó fins aconseguir “abocador zero”.


5


6

Estructura del Formigó

Ciència dels Materials: Estudia la relació entre l’estructura i les propietats a totes les escales i descobreix propietats associades a composicions diverses. L’objectiu és modificar i millorar els materials.

Estructura: es defineix per et tipus, la quantitat, la grandària, la forma i la distribució de les fases.

Macroestructura: aquella que és visible per l’ull humà (es considera el límit de resolució de 1/5

mm). Es veuen dues fases: Àrid Pasta de ciment endurida

Microestructura: (per sota la resolució de 1/5 mm). [Mecanismes d’anàlisi: Fase observada]

Microscopi òptic: Clinker de Pòrtland sense hidratar (atac amb FH: C3S marró, C2S blau,

en la matriu: C3A gris i C3AF blanc). Informació sobre fissuracions, patologies, relació a/c, addicions...

Microscopi òptic: Contacte Àrid – Pasta (fluorescència). Exudació (*)

Microscopi electrònic: Ettringita i Portlandita en zona de transició

Microscopi Ambiental: Micro. electrònic sense assecat previ.

Microscopi de força atòmica. (nanotecnologia) Coneixent de cristalls.

Microsonda EDAX: Qauntificació elemental SEM.

Espectrofia d’infraroig: Coneixement de grups d’àtoms (C-S-H)

Porosimetria d’intrusió de mercuri (PIM): Distribució de porus.

Difracció raig X (DRX) i Anàlisi tèrmica diferencial(ATD): Identificació de les fases i quantificació.

Exudació: (Bleeding) separació de sòlids creant una zona de feblesa i possible fissuració

Zona de Transició: Zona entre la pasta de ciment i els àrids on hi ha una quantitat

d’aigua més gran que en la pasta (a/c més gran). Formació d’ettringita i hidròxid en cristalls més grans que la resta de la pasta. Zona feble a causa de la porositat.


7

Estructura de la Pasta Endurida:

CSH: (50~60% en volum dels sòlids de la pasta). No té una fórmula exacta. Fibra poc cristal·lina, es sol citar com a “gel”. Relació C/S = 1,5~2.

Teoria Powers-Brunauer: L’estructura del CSH és en capes amb unes distàncies de 18Å retingudes per forces de Vander Waals.

CH: (20~25% en volum dels sòlids de la pasta). Compost estequiomètric ben cristal·litzat en

prismes hexagonals (fàcil reconeixement). Solubilitat en aigua notable. Alcalinitat (realment és un tampó) i punt dèbil químic (soluble en aigües pures).

Sulfoaluminats càlcics. (15~20% en volum dels sòlids de la pasta).

En la primera vida de la pasta una relació (SO42-)/ (Al2O3) afavoreix la formació d’Ettringita

(C6AŜ3H32) en cristalls prismàtics o en agulles Més endavant (al consumir-se sulfat) C6AŜ3H32 + 2 C3A C4AŜH18 (monosulfoaluminat

càlcic)

Estructura de la pasta fluida, clinker no hidratat: (1-50 µm aglomerats) Aigua:

Lliure: > 0,05 µm Capil·lar: Retinguda en buits menors de 50 Å Absorbida: Retinguda per ponts d’hidrogen de fins a 15 Å (6 capes moleculars) Interlaminar: Lligada als CSH per ponts d’hidrogen Combinada: Integrada a l’estructura global.

Zona de Transició:

Es forma una pel·lícula d’aigua al voltant de l’àrid major. Formació d’ettringita i hidròxid en cristalls més grans que en la resta de la pasta. Els espais

buits s’omplen més endavant parcialment de CSH, CH i ettringita. La Zona de Transició és més porosa i dèbil que la resta de la pasta. Les fissures estan presents en la Zona de Transició i s’estenen a l’aplicar càrregues de l’ordre

del 40% de la resistència del formigó.

Líquid en els Porus: Composició:

Hidròxids alcalins de Na o K. Alguns sulfats (SO4

2-). Ca2+ en baixes concentracions. Aluminat d’ió calci Silicats d’aluminats de silicats.

La solubilitat del CH en aigua a 25ºC és de 1,15 g/l . La solubilitat dels hidrats depèn del pH. [La ettringita és la menys soluble]


8

Ciment Pòrtland

Ciment: Conglomerant hidràulic [Les reaccions d’hidratació es poden donar tant en aire com en aigua]. Material capaç d’adherir-se a d’altres i donar cohesió a conjunt a partir d’unes reaccions (d’hidratació) químiques que originen un compost nou.

Hidraulicitat: Propietat d’alguns conglomerants gràcies a la qual, amassats amb aigua poden prendre i endurir tant a l’aire com submergits en aigua, donant com a resultat productes estables en els dos medis.

Procés de fabricació:

Consisteix en introduir una mescla homogeneïtzada de les matèries primeres prèviament triturades i moltes, en un forn rotatori inclinat (3%) on s’escalfa la mescla progressivament fins uns 1450ºC a fi d’obtenir l’anomenat Clinker de Pòrtland. [Sinterització o Clinkerització]

Un cop refredat es mol junt amb un petit percentatge de guix [Ca2SO4 · 2H2O (retardador de presa) fins assolir una finor inferior a les 2 ~ 80 µm.

[Per augmentar la superfície específica ~ > 300m2/kg]

Matèries primeres: - Roques calcàries o similars CaO (C) - Argiles o esquistos Fe2O3 (F), Al2O3 (A) i SiO2 (S)

Productes obtinguts: - C3S: Silicat Tricàlcic [en dissolució: Al·lita] - C2S: Silicat Dicàlcic [en dissolució: Bel·lita] - C3A: Aluminat Càlcic - C4AF: Ferroaluminat Càlcic (o Aluminat de Ferro i Calci)

Variació de la temperatura en la clinkerització o sinterització: - 400ºC ~ 600ºC Pèrdua de l’aigua d’humitat - 650ºC Pèrdua de l’aigua de l’argila - 800ºC Descomposició de la calcària ( CaCO3 CaO + CO2 ↑ ) - 1000ºC ~ 1200ºC Formació C3A, C4AF, i C2S amb C lliure - 1200ºC ~ 1400ºC Fusió C3A i C4AF : Fase líquida - 1400ºC ~ 1450ºC C2S + C C3S

Composició Potencial del Clinker: Fórmules de Bogue

% C3S = 4,07 C’ – 7,60 S – 6,72 A – 1,43 F (on C’ = CTot – 0,7 Ŝ – CLliure [ Ŝ = SO3] ) % C2S = 8,60 S + 1,08 F + 5,07 A – 3,07 C = 2,87 S – 0,754 C3S % C3A = 2,65 A + 1,69 F % C4AF = 3,04 F

On C, S, A i F són el % dels òxids respectius presents a la mescla de matèries primeres. Les formules de Bogue pressuposen que tant els compostos inicials com els finals són purs i en

estat cristal·lí, i que les reaccions durant el procés de sinterització es produeixen de manera completa, és a dir, que el 100% de les matèries primeres reaccionen per a donar els productes de clinkerització.

El guix s’afegeix com a retardador de presa en una quantitat que varia entre el 5 i el 6%, segons la seva puresa i la quantitat d’aluminats present al clinker. La quantitat necessària de guix es determina segons el criteri de màxima resistència a compressió del morter fabricat amb la mescla final obtinguda. Un excés de guix condueix a la inestabilitat volumètrica a causa de la formació de sulfoaluminats, mentre que la manca de guix dóna lloc a una presa ràpida (flash set), amb la consegüent pèrdua de treballabilitat.

Composició Química del Ciment Pòrtland: (en %)

C → 63 (60~67); S → 20 (17~25); A → 6 (3~8); F → 3 (0,5~6) C3S → 54,1 %; C2S → 16,6%; C3A → 10,8%; C4AF → 9,1%

M (MgO) → 1,5 (0,1~4); Ŝ (SO3) [Guix] → 2 (1~3); K2O/Na2O → 1 (0,2~1,3); Altres ~1 LOI (Lost On Ignition) [Pèrdua al foc] → 2 ; RI [Residu Insoluble] → 0,5

En un ciment s’han de considerar les relacions:

Mòdul Silícic: M.S. = S / (A+F) Variació: 1,9~3.2 Valor Habitual: 2,0 Mòdul de Fundents: M.F. = A / F Variació: 1,7~2,5 Valor Habitual: 2.0

- Si A/F < 0.64 implica que tot l’alumini es troba com C4AF Mòdul Hidàulic: M.H. = C / (S+A+F) Variació: 1,7~2,5 Valor Habitual: 2.0


9

Matèries Primeres: Calcària (CaCO3): Es pot obtenir de diferents formes que es diferencien en la Porositat, Duresa i

Mida del Cristall, segons les condicions de pressió i temperatura en la seva formació Impureses: - MgO (+ H2O) → Mg(OH)2 : Provoca expansions a llarg plaç

- Metalls Pesats (Pb, Zn, Cu, Ba,..) [Heavy Metals]: Inhibeixen la presa [settling] - Anions - PO4

3- → > 0,3 % estabilitza el C2S → impedeix formació C3S - F- → > 0,2 % retarda la presa

Argiles: Principals fonts d’àlcalis (Na+, K+). Impureses: - Calcita (CaCO3): A considerar en el procés de fabricació junt amb calcària

- Pirita (Fe2S3) - Matèria Orgànica (a causa de l’elevada sup. esp. de l’argila): Retarda la presa. - Guix: A considerar en el procés de fabricació - Ions: (Mg2+, Cr3+, Mn2+, 4+, ..)

Les Impureses al clinker Portland provenen de les impureses presents a les matèries primeres o també es poden introduir durant el procés de fabricació del ciment.

Hidratació del ciment Pòrtland: Les reaccions d’hidratació del ciment Pòrtland es poden donar segons dos tipus de mecanismes:

1.- Dissolució d’ions. 2.- Formació dels hidrats en solució. Predomina a l’inici de la hidratació. 3.- Sobresaturació d’hidrats. 4.- Precipitació dels hidrats.

Reaccions en estat sòlid, que es donen directament a la superfície dels grans de ciment. Predominant en fases posteriors a la hidratació, quan la mobilitat dels ions es veu restringida per la formació i precipitació dels hidrats

En condicions normals, una pasta de ciment hidratada allibera el 50% de la calor produïda entre 1 i 3 dies després de l’inici de la hidratació. Als 7 dies, s’ha alliberat el 75%; el 90% ha estat alliberat als sis mesos de l’inici de la hidratació.

Dissolució del guix i dels aluminats: [Pic A] El pic I correspon a la reacció d’hidratació dels aluminats: C3A + 6H → C3AH6 Aquesta reacció és molt ràpida i produeix una presa accelerada (flash set). Per tal d’evitar que

això passi, s’afegeix guix al clinker Pòrtland, que reacciona amb els aluminats donant lloc a l’ettringita i altres sulfoaluminats. C3A + 3CŜH2 + 26H → C3A·3CŜ·H32

Temps: La reacció és quasi immediata al començar la hidratació i dura fins a les 3 hores aproximadament. D’altra banda l’ettringita alenteix la reacció. Tot i que l’ettringita és insoluble i cristal·litza, la reacció és lenta i retarda la presa. El temps que triga tot el guix a consumir-se depèn de la proporció de C3A, i acostuma a ser al voltant de les 24 hores.

La pasta és treballable. En la dissolució del guix i dels aluminats, la solució queda saturada de diferents ions:

Ca2+, SO42-, Al2On

-, OH-. La calor despresa en aquestes reaccions de dissolució és la que en la Figura 2 s’observa com a pic I.

Gràfic de l’evolució del flux de calor en funció del temps en la hidratació.


10

Hidratació de C3S i C2S: [Pic B] El pic II correspon a l’alliberament de calor a causa de la hidratació dels silicats de calci

del ciment. Les reaccions d’hidratació són les següents: 2C3S + 6H → CSH + 3CH i 2C2S + 4H → CSH + CH

Es produeix la formació i ràpid creixement de cristalls hexagonals plans de CH (Ca(OH)2; portlandita) i la formació d’una estructura de CSH (gel tobermorític) que creix i lliga tot el que hi ha a la pasta. Aquesta estructura és fibrosa, si té espai per desenvolupar-se, i de tipus rusc quan no disposa d’espai.

Temps: Macroscòpicament, aquest creixement s’identifica amb la presa (3-4 hores) i l’inici de l’enduriment (12-18 hores).

Al començar la segona reacció la pasta deixa de ser treballable i comença la presa. Un cop finalitzada la formació de CH i CSH la presa ha acabat i comença l’enduriment.

Formació de monosulfoaluminats: [Pic C]

El pic III només apareix quan el contingut en C3A del ciment és superior al 13%, i correspon a la transformació de l’ettringita a monosulfoaluminat hidratat:

C3A·3CŜ·H32 → C3A·CŜ·H16 o C4AŜ·H18 En aquesta etapa, l’estructura de CSH es va densificant i va omplint els espais buits que

queden entre els grans de ciment, donant consistència rígida al ciment. Temps: Aquesta reacció es produeix més enllà de les 24 hores de l’inici de la hidratació.

Obs: en el cas del C4AF és el mateix procediment que en el C3A.

Evolució dels Productes d’Hidratació:

Estructura de la pasta de ciment endurida: [Hardened cement paste (hpc)] Residu de grans de ciment sense hidratar, al centre dels grans originals. Hidrats, CSH (silicats càlcics hidratats), aluminats i sulfoaluminats. Cristalls de portlandita (CH) amb forma de cristalls hexagonals. Porus capil·lars: espais entre els grans de ciment que no han quedat omplerts amb els hidrats.

Característiques del Ciment Pòrtland:

Constituent Velocitat d’hidratació Calor d’hidratació Desenvolupament de Resistències C3S Gran Gran i Ràpid Ràpid i Prolongat a llarg termini C2S Petita Petit i lent Lent i Prolongat a llarg termini C3A Molt Gran Molt Gran i Ràpid Molt ràpid però de poca quantitat C4AF Gran Moderat i lent Poc conegut però poca quantitat

Velocitat d’Hidratació:

Velocitat de reacció dels components principals del clinker: [Vel. depèn de les proporcions] C3A > C3S i C4AF > C2S

Un augment de temperatura implica un augment de la velocitat d’hidratació. A temperatures sota zero es pot arribar a aturar la hidratació i per sobre els 40ºC

s’accelera considerablement la presa, fet que suposa un probl. en el transport i el treball. Com més fi és un ciment més ràpidament s’hidrata ja que augmenta la superfície de contacte

amb l’aigua.


11

Calor d’Hidratació: Totes les reaccions d’hidratació són exotèrmiques.

La Calor total dependrà de la composició del clinker. El 50% de la Q. total despresa és en els 3 primers dies.

El 90% en els 3 primes mesos. La dificultat per a dissipar la calor produïda per les

reaccions d’hidratació pot donar lloc a retracció tèrmica, formació de fissures i pèrdua de resistència.

Resistències Mecàniques: Relació directa amb la composició. Resistències a curt termini → C3S. Resistències a llarg termini → C3S i C2S. Resistències degudes a la hidratació del C3A i C4AF

són petites i es produeixen en els primers dies.

Paràmetres a Controlar en el Ciment Pòrtland:

Composició Química: C3S + C2S > 66.7% C/S > 2% MgO < 5% i SO3 < 3,5~4% Limitació pels clorurs (que causen corrosió). [< 0,10%] Limitació per la Pèrdua al Foc (LOI) [< 5.0 %] i el Residu Insoluble (RI) [< 5.0 %], que

indiquen contaminació o excessiva exposició a l’atmosfera.

Inici i Final de Presa: L’inici de presa indica el canvi d’estat fluid a estat rígid, mentre

que el final de la presa indica l’inici de l’enduriment. Tots dos temps (d’inici i de final de presa) es determinen mitjançant l’aparell de Vicat.

Consistència de la pasta de ciment:

Es determina amb l’aparell de Vicat i és indicativa de la treballabilitat de la pasta.

Estabilitat de Volum:

Una expansió volumètrica excessiva en la pasta de ciment endurida pot provocar l’aparició de fissures i la disminució de la resistència. L’expansió es pot produir per la hidratació retardada de cristalls de CaO, per la lenta hidratació del MgO o a causa d’un contingut excessiu de sulfats. L’estabilitat volumètrica es determina mitjançant el test de les agulles de Le Chatelier.

Paper del ciment en la durabilitat del formigó:

La durabilitat d’un formigó s’explica en gran part per la dificultat dels agents agressius a penetrar dins la xarxa porosa i per la capacitat d’absorbir i suportar resistències amb el temps.

Q. d’hidratació Cal/g J/g C3A 210 867 C3S 120 502 C4AF 100 419 C2S 60 260


12

Porositat:

La porositat és un paràmetre de primer ordre indicador de la durabilitat, tot i que no l’únic. Un paràmetre de segon ordre és l’organització geomètrica de l’estructura porosa.

Tipus de Porositat Porus Capil·lars: Porus entre grans de ciment

Porus Interconnectats: (I) Formen un espai continu dins el medi porós i participen en el transport de matèria a través del material.

Porus Cecs: (C) Connectats d’una sola banda amb l’exterior, són accessibles als fluids exteriors però no participen en el transport.

Porus Aïllats: (A) No comuniquen amb l’espai exterior. Porus de gel: porus que queden entre les partícules del gel tobermorític.

Esquema dels tipus de porositats Capil·lars →

Hi ha dues magnituds físiques que permeten caracteritzar l’aptitud d’un formigó per a resistir la penetració d’agents agressius:

Permeabilitat: Determina el transport a través del material a causa d’una diferència de pressió.

Difusivitat: Determina el transport a través del material a causa d’una diferència de concentració.

Maneres de reduir la porositat: A la mescla d’àrids: Millorar la compacitat de la mescla amb una distribució òptima de les

diferents fraccions que componen la mescla total. També afegint additius fins. Al formigó fresc: Densificar la pasta afegint la quantitat d’aigua necessària per tal que tinguin

lloc les reaccions d’hidratació de la manera més completa possible, sense que es produeixi un excés d’aigua.

Al formigó endurit: Intensificar l’enduriment. Els productes d’hidratació que es formen en la reacció entre l’aigua i el ciment disminueixen la porositat en anar taponant els porus capil·lars. Augmentant la quantitat de ciment es formen més hidrats, reduint així la porositat del material.

Agressió Química:

L’agressió química comporta en general una primera etapa de dissolució dels hidrats en superfície, seguida d’una etapa de precipitació dels nous compostos. Totes les transferències de matèria necessàries per establir un nou equilibri tenen lloc a la fase aquosa dels porus capil·lars. El líquid intersticial dels porus capil·lars es compon de l’aigua sobrant de les reaccions

d’hidratació i dels ions solubles dels sòlids formats. La solubilitat dels diferents hidrats depèn del pH. Composició estable del líquid intersticial

Ca2+ 1.48 mmol/l K+, Na+ 300 mmol/l SO4

2- 0.59 mmol/l Aluminat 1.51 mmol/l Silicat 0.10 mmol/l pH 13.3

Efecte tampó del líquid intersticial:

La integritat del formigó depèn de la seva capacitat per limitar els intercanvis amb l’exterior. El manteniment del pH fortament alcalí a la solució intersticial és un dels principals mecanismes de defensa del formigó enfront atacs químics, i aquest pH es manté gràcies a l’efecte amortidor de la dissolució tampó formada per la portlandita (base feble) i el guix (la seva sal).

Ca(OH)2 ↔ Ca2+ + 2OH- CaSO4 → Ca2+ + SO4

2-

(C) (I) (A)


13

Esquema del Procés de Fabricació del Clinker de Pòrtland:


14

Àrids

Les Roques: són materials naturals que constitueixen l’escorça terrestre i estan formades per

minerals. Algunes són relativament toves, és a dir, dèbils i fàcilment deformables. Altres són dures, fortes i resistents. Les roques així definides inclouen al “sòl“ de l’enginyer, és a dir tots els dipòsits no consolidats que cobreixen el substrat rocallós. No obstant, no s’inclou el sòl de l’edafòleg, materials terrosos que constitueixen el terreny en el que poden créixer les plantes terrestres.

Tipus de Roques Segons el seu origen distingim tres grans grups de roques:

Roques Ígnies: derivades de la solidificació d’un material fos (magma). Roques Sedimentàries: resultat de la consolidació formant capes de materials procedents de la

descomposició de roques preexistents, o de processos químics o orgànics. Roques Metamòrfiques: procedeixen de roques ígnies o sedimentàries, preexistents, però que

han estat alterades del seu estat original, per l’efecte de la temperatura i/o la pressió.

Aplicacions de les Roques en la Construcció: Com a matèria prima: lligants (guix, calç, ciments...), material ceràmic (argila). Grans blocs de pedra: reompliment d’espigons, carreteres, construcció monumental

(patrimoni arquitectònic). Vidre. Granulat.

Els Granulats:

Concepte i origen dels granulats:

El granulat és un fragment de roca, format per un conjunt de minerals els quals dependran del tipus de roca original. La mineralogia com a tal és un factor decisiu en el comportament general del granulat. Comportament que el definim com a la resposta front a les propietats físiques, químiques i mecàniques del mateix. L’origen dels granulats normalment és natural, de diverses tipologies depenent del tipus de roca. Podem definir els granulats com fragments de roca que units amb o sense lligant, constitueixen una part o la totalitat d’una estructura constructiva o d’una obra civil.

Els granulats contribueixen a que una estructura de formigó sigui més econòmica (abarateixen el producte), més estable volumètricament i a tenir una millor resistència. En canvi, els granulats no aporten o no formen part, ni de la presa ni de l’enduriment del formigó. Per tant, els granulats aporten un paper econòmic i tècnic del material el.laborat.

El granulat és un dels constituents majoritaris de l’estructura del formigó, d’aquí la importància del seu estudi d’una forma acurada i de l’existència d’un plec de normatives d’usos dels mateixos.

Si suposéssim el cas d’una ESTRUCTURA amb només ciment, ens trobaríem amb les següents limitacions: Inestabilitat dimensional (importants retraccions) i Cost elevat. Front a aquestes desavantatges es planteja afegir agregats (granulats) a la pasta de ciment. De tal manera que l’objectiu és afegir el màxim de granulat possible enllaçat per la pasta de ciment hidratat. El volum de granulat que ocupa en un formigó és del 80 al 70 % i les mides des de la sorra (<5 mm.) fins a la grava. [Corba de Granulometria de Fuller (distribució parabòlica)]

Mides dels Granulats: Àrid ultrafi (filler) – 0,063mm – Àrid fi (sorra, arena) – 4mm – Àrid gros (grava, graveta) L’àrid gros no està estandarditzat, però sí que classifica segons amplada del tamís.

A la pràctica el formigó porta àrids d’uns 20mm màx. de diàmetre o 40mm màx. de diàmetre D’altra banda existeixen formigons especials (formigó ciclòpic) amb àrids de fins 100mm de diàmetre


15

Característiques dels granulats:

Reactivitat: Propietat que ve donada per la cristal·linitat dels minerals formadors del fragment de roca, en aquest cas del granulat. (1a vegada que es detecta és a Califòrnia amb l’òpal)

Exemple: En el cas del grup de la sílice, SiO2 , tenim tres fases minerals: quars, el més abundant, òpal i calcedònia. De tots tres el millor per resistència, duresa i cristal·linitat és el quars. Aquest mineral té una estructura cristal·lina en un sistema hexagonal, de tal manera és una fase poc reactiva i força estable. En canvi, l’òpal i la calcedònia són fases de la sílice hidratats criptocristal·lins (baixa cristal·linitat) que porten una alta reactivitat amb certs constituents del ciment, en aquests cas els alcalins com sodi i potassi, comportant la formació d’un gel expansiu silícic. Tal reacció rep el nom de reacció alcalis-granulat. Reacció alcalis-granulat: SiO2 mal cristal·linitzat + Àlcalis (Na+, K+) + OH- gel silícic (molt expansiu). Obs: la reacció és molt lenta (pot durar entre 5~20 anys

Estabilitat: Correspon a l’estat general de la roca, com porositat, alteració, meteorització, expansió...etc. Així mai farem anar granulats que reaccionin amb la pasta de ciment hidratat, ni tampoc saturats o hidratats.

Adherència: Un altre aspecte a tenir en consideració, doncs l’adherència de la pasta de ciment hidratat i el granulat = morter no és perfecte, apareixent una tercera fase que és la zona de transició o interfase, que influirà directament en les propietats del formigó ( veure capítol de formigó). Però ara bé en el cas de certes calcàries dures i denses presenten una bona adherència amb la pasta milloren la resistència del formigó.

Per afavorir l’adherència és millor una superfície no llisa. D’altra banda cal considerar la porositat superficial, ja que fins un cert punt pot fer disminuir l’aigua en la zona de transició. (el límit és el punt en el que la disminució d’aigua afecta la hidratació).

Densitat dels granulats: El granulat en qüestió ha de presentar una densitat òptima, la qual oscil·la entre 2,55-2,75 g./ cm3 , produint així formigons d’entre 2250 – 2450 kg./m3 . També es pot treballar amb granulats lleugers, de molt baixa densitat, duent-se a terme l’elaboració de formigons lleugers, els quals són avantatjosos per què redueixen el pes de l’estructura i a la vegada són aïllants tèrmics. Aquests granulats lleugers solen ser material d’origen volcànic. Aquesta reducció de pes és degut a l’existència de porositat en la roca. De la mateixa manera podem fabricar formigons densos ( 3500 a 4500 kg./m3 ) o d’alta densitat, llavors usarem granulats pesats. Les característiques dels granulats per tant influeixen decisivament en el comportament del formigó o morter, depenent del cas, per exemple les propietats elàstiques dels granulats influeixen en les del formigó. Avui en dia existeixen granulats artificials de gran qualitat però molt cars (argila expandida, cendra volant aglomerada...)

Control de l’aigua: Quan nosaltres fabriquem un formigó òbviament afegim aigua en una certa quantitat controlada, depenent directament de la humitat del granulat. L’aigua per una banda dóna treballabilitat al conjunt de la barreja i per l’altre hidrata els components de l’aglomerant per formar la “hcp” (la pasta de ciment hidratat). La reducció de resistència o duresa en el formigó resulta de l’existència dels porus.

Altres exigències dels granulats: Inerts. Mida: compresa entre 0 i 100 mm. Naturalesa: normalment inorgànica, pot haver-ne d’orgànica. Procedència: natural i artificial.

Reutilització dels granulats: La reutilització dels granulats s’està tornant una pràctica més corrent i la substitució de granulats naturals per granulats artificials, fabricats a partir de productes residuals d’altres indústries, representen una petita part d’aquesta indústria. A partir del 01/01/2006 el 20% de l’àrid podrà ser formigó reciclat. La política de la UE en aquest aspecte és aconseguir un “abocador zero”, és a dir, un reciclatge màxim. Actualment a Esp. el consum és equivalent al de França, Itàlia i Alemany junts, i el reciclatge és del 10% del total.


16

Naturalesa i procedència dels granulats:

Tipus: Naturals rodats. Matxuca (roques triturades, principalment 90% del total dels granulats). Artificials: amb les mateixes o millors propietats. Amb els mínims de resistència i

durabilitat exigits. El comportament i les característiques del formigó fresc i endurit dependran tant de l’origen i

tipus dels granulats com dels processos d’obtenció dels mateixos. Sovint un s’ha d’acontentar amb els granulats disponibles en l’entorn on radica l’obra. D’aquesta manera definim dos criteris fonamentals de selecció dels granulats:

Atenent-nos a la composició mineral, estructura petrogràfica i estat mineral: - naturalesa - resistència (a l’impacte / al desgast) [No sempre demanat, molt imp. en paviments] - densitat - durabilitat (a 50 anys, com a molt a 100 anys) [envelliment degut a la carbonatació] - capacitat d’absorció

I segons les característiques que depenen els processos d’obtenció dels granulats: - la granulometria - la forma - la textura.

Mai hem d’usar granulats actius, entenent com actius si reaccionen amb els components del ciment o amb els agents externs (O2 , H2O, gel ..), doncs debiliten l’estructura i en conseqüència la del formigó i les propietats del granulat. Així no s’ha d’usar en morters i formigons:

Granits en avançat grau de descomposició. Gresos friables. Calcàries margoses. Granulats de qualsevol natura que continguin sulfurs oxidats Granulats que continguin com impureses sulfats càlcics o magnèsics Granulats amb sílice activa (SiO2 en forma d’opal i calcedònia) que poden reaccionar amb

els alcalins del ciment. Granulats que continguin substàncies solubles en H2O (sals, sucres..). Granulats d’origen orgànic, exceptuant alguns plàstics. Escòries siderúrgiques amb silicats inestables o compostos ferrosos. Roques gelades.

Diferències entre els granulats naturals: Granulats rodats: parlem de granulats que provenen de la desintegració natural i erosió

de les roques en general (roques sedimentàries). Són arrodonits amb superfícies llises i sense arestes, per exemple: sorres i graves silíciques. Corresponen al grup de granulats més ECONÒMIC. Degut a que no presenten un tractament de trituració la granulometria d’aquests és variable. En l’elaboració del formigó comporten a un comportament dòcil i més treballable de la barreja amb una quantitat d’aigua discreta. Tot i això presenten un problema ambiental: no es poden extreure granulats de la llera del riu j que podríem modificar el curs del riu i ocasionar problemes estructurals a les rodalies d’aquest.

Granulats de matxuca: grup obtingut de la desintegració artificial per trituració. Presenten superfícies rugoses i arestes vives. És a dir provenen de roques de mida excessiva en els que cal fer un fraccionament per explosió, després un matxuqueig i tamisat selectiu segons les mides adequades, exemple: granits, calcàries, basalts. Per l’obtenció d’una granulomètria més regular s’usen matxacadores de mandíbules.

Durabilitat: Els millors són (sempre que siguin estables en la reacció àlcali – granulat): Granulats silícics: graves i sorres de riu o pedrera. (Problema de l’extracció) Matxuca: - roques volcàniques com basalts, andesites, pedra pomez i toves. [Granits]

- roques sedimentàries: dolomies i calcàries sòlides i denses. o Sempre aquests granulats han d’estar nets de pols i rentats amb aigua dolça si la seva

procedència és de matxuca o de mar. o Les dolomies podem presentar dolomització: En un medi altament àlcali (com ara el

formigó) la dolomia es pot separar en CaO i MgO, éssent el MgO perjudicial. [Aquest fet no és conegut al 100%]


17

Classificació dels granulats:

Segons la Densitat: Granulats lleugers (< 2 kg. / dm3) Granulats pesats (> 3 kg. / dm3)

Segons la Mida: Granulat fi o arena: la mida és inferior a 4 mm., passa el tamís de 4 mm.

Arenes grosses: mida d’entre 2 i 4 mm. Arenes fines: mida d’entre 2 i 0,064 mm. Fins o filler: mida inferior a 0,064 mm.

Granulat gros: mida superior a 4 mm., llavors retingut en el tamís de 4 mm. La sorra és un constituent fonamental en el formigó i un dels de major responsabilitat,

no és possible fer un bon formigó amb una sorra dolenta. Com tampoc podem tenir variacions granulomètriques ni composicionals dins d’aquest grup doncs afecten notablement en les propietats del formigó. Per exemple un excés de fins disminueix la qualitat del formigó en tots els aspectes.

Les sorres calcàries són de qualitat variable, les quals requereixen d’una major quantitat d’aigua que les silíciques i la seva resistència al desgast és menor, de tal manera que no són usats en formigons de pavimentació de carreteres

Alteració, meteorització i textura: Segons el context geològic i geogràfic tindrem un tipus o un altre de procés de meteorització i alteració.

Entenem com a meteorització al conjunt de processos físics i/o químics que pateixen les

roques de l’escorça terrestre amb la seva interacció amb el medi que les envolta. La meteorització tendeix a reduir-se amb la profunditat, però localment es pot estendre profundament al llarg de discontinuïtats de la roca sana

Entenem com alteració la transformació de les roques degut als aquests processos físics i/o químics deguts a la meteorització.

En el cas dels granulats ens interessa determinar el grau de meteorització que sofreixen les roques i així determinar la seva alteració o transformació. Hem de tenir clar que quant menys grau de meteorització té la roca millor, voldrà dir que esta menys alterada (transformada a minerals de neoformació), i llavors serà de major qualitat.

Alteració mineral: transformació dels minerals formadors de les roques per efecte de la interacció d’aquests amb l’atmosfera, sobre tot amb l’aigua a causa de la polaritat de la seva molècula. És tracta de certs mecanismes que actuen sobre els minerals formadors per donar d’altres neoformats, normalment amb enllaços més dèbils, i per tant, donant a lloc a la pèrdua de cohesió de la part de la roca afectada. Exemples:

Silicats: Grup mineralògic més abundant de les roques. A continuació detallem els subgrups més freqüents entre els diferents tipus de granulats.

Feldspats: subgrup nombrós de fases minerals, aquests per un procés d’hidròlisis (accelerat pel CO2 de l’aire) es transformen en un altre grup mineralògic de caràcter més dèbil, els minerals de l’argila, com la caolinita, la illita, entre altres. [Al mediterrani hi ha una gran presencia de Saulò: Feldspat transformat per hidròlisi en Argiles que amb el sol es transforma en grans de quars i trossos de mica]

Minerals de l’argila: fases que com les miques són susceptibles als canvis climàtics, per tant a les condicions externes. L’aigua els desestabilitza i comporta grans expansions. El cas més extrem és la montmorillonita que comercialment és coneix com a bentonita. L’ús de les argiles està totalment prohibit. [Margues: Calcària amb 30% argila mesclada per sedimentació, molt perillosa per construcció per la seva descomposició.]

Carbonats: És també un gran grup mineralògic i de gran presència en l’escorça terrestre, però destaquem dos roques formades principalment per dos mineralogies fonamentals. Aquestes roques són les calcàries i les dolomies formades per calcita i dolomita respectivament. No solen patir grans canvis o processos d’alteració molt significatius. Tant sols en el cas d’un alt contingut de porositat l’aigua externa segons l’estat d’aquesta produeix un procés dissolució dels mateixos carbonats augmentant la porositat i desestabilitzant el conjunt. Llavors les roques per un ús de granulat són inestables i susceptibles a facilitar l’entrada dels agents externs en general (aigua àcida, aigua pura, aire, sulfats ...).


18

Grup de les miques: són minerals força exfoliables que s’alteren fàcilment a altres mineralogies com les argiles. Les fases més freqüents d’aquest grup són la biotita, la moscovita, la flogopita .. etc. Podem descriure dos processos: Una adsorció de molècules d’aigua en l’estructura laminar del mineral. Consisteix en

una dilatació dels plans d’exfoliació, que es tradueix en una tensió interna en l’estructura del granulat que posteriorment per evaporació de l’aigua inclosa per un canvi de temperatura extern es produeix la conseqüent recuperació de les làmines o capes al seu estat inicial, una contracció. Parlem d’un procés de dilatació – contracció. Si el procés és força continuat en el temps és quan tenim una roca inestable no vàlida per la construcció, i encara menys com a granulat.

En alguns minerals d’aquest grup per un procés d’hidròlisis es forma clorita (clorotització) [No te clor, es tracta de la formació d’un mineral laminar]. Aquesta mineralogia creix entre els plans d’exfoliació causant l’expansió i a la vegada tensions internes en la roca. Com a resultat es dóna la fissuració de la roca facilitant posteriorment la circulació de solucions.

Sulfurs: mineralogies nocives en un granulat, doncs afavoreixen la reactivitat dels granulats formats amb aquesta mineralogia amb certs constituents del clinker de pòrtland amb la subsegüent formació d’una patologia greu.

FeS + O2 + x. H2O H2SO4 + FeSO4 FeSO4 + Ca(OH)2 Ca SO4 2H2O + Fe(OH)2 Ca SO4 + C3A Ettringita.

Aquesta ettringita té un origen secundari i és caracteritza per ésser expansiva. Es tracte d’un procés d’oxidació dels sulfurs, és a dir el sulfur de ferro, com la pirita o calcopirita, s’oxiden alterant el granulat i a posteriori reaccionant amb la pasta de ciment i formant sulfats. L’alteració vindrà afavorida per la presència de plans d’esquistositat de la roca, però ara bé per a aquesta reacció patològica ens cal: l’aigua, l’oxigen i el sulfur. [Obs: a vegades reaccionen i altres no, segons altres condicions ambientals que no s’hea pogut definir concretament]

Roques evaporítiques: La principal característica d’aquest grup és que són minerals força solubles ja que provenen de l’evaporació de l’aigua de certes roques, que a la llarga comporten la formació en l’interior o exterior de sals, en forma d’eflorescències i subeflorescències que poden afavorir a les tensions internes en el granulat. Dins d’aquest grup destacar els clorurs i els sulfats. Els clorurs tenen l’afegit de descandenar un procés corrosiu en el cas de formigons armats. Tenint en compte el comportament dels diferents minerals enfront del medi, podem arribar a discernir quin granulat és el més òptim en un formigó, per què estem barrejant les fases minerals del ciment-pasta amb les del granulat, i la reacció d’ambdós en algun cas pot ésser problemàtica. El que ens interessa és que la roca que esdevindrà granulat no presenti mineralogies reactives o alterades, ni estigui fissurada i ni alterada, en definitiva en bon estat.


19

Procés d’Explotació dels Àrids:

Investigació dels dipòsits: Per arribar a tenir un granulat de qualitat cal en un primer moment fer una recerca acurada

dels possibles dipòsits del nostre entorn. El que nosaltres cerquem és un recurs, i quan aquest compleix els mínims encomanats i sigui explotable parlarem d’una reserva. Aquests dipòsits es localitzen per què hi ha una anàlisis de tota la informació geològica i geotècnica, però a priori es requereix la recopilació, en gabinet, de dades de moltes fonts, i tot seguit el reconeixement al camp i l’avaluació de les zones a investigar.

El primer de tot és la recopilació de dades publicades i no publicades de treballs geològics i geotècnics previs, en especial, cartografies, informes geològics i informes d’investigacions de camp. També cal tenir en compte altres informacions, que en un primer moment no són considerades com: informes no difosos anteriorment, explotacions antigues, antigues investigacions de granulats per a la seva explotació, vells mapes topogràfics i inclòs la tradició oral popular de la població local.

En l’anàlisi dels mapes topogràfics: es tracte del retrat de les característiques

fisiogràfiques, formes del terreny, que poden donar alguna pista sobre la presència de granulats i la seva accessibilitat. I inclòs els mapes o esquemes més rudimentaris, que indiquen el curs dels torrents i la posició dels turons que ajuden a explorar el terreny verge. I si no existeix tot això òbviament el prospector haurà de dissenyar ho mitjançant un exhaustiu estudi de camp. A tot això, ve recolzat per la interpretació de fotos aèries o imatges en satèl·lit.

De mapes geològics: l’ús d’aquest mapes és un requisit essencial en la recerca d’un granulat. I si no existeixen en la/es zona/es s’han de realitzar, encarint òbviament la part d’estudis previs.

I de mapes de recursos de granulats que editen els serveis Geològics i organismes similars.

Totes les informacions obtingudes en aquests mapes són corroborades amb imatges satèl·lits, si és possible, i sobre tot en fotografies aèries. La informació és estudiada en detall i ampliada si és necessari. I a continuació passaríem a un estudi de la comprovació de la informació obtinguda, que seria l’estudi de camp.

Investigació de camp: Com ja hem comentat anteriorment, si no hi han dades suficients en la fase

d’anàlisi de gabinet, cal doncs anar-les a cercar directament i fer varis reconeixements dels terrenys en qüestió, on possiblement hi han recursos del tipus granulat. En la investigació de camp les tècniques d’investigació terrestres més emprades són les geofísiques. Les tècniques geofísiques poden ser aeroportat (són els que es realitzen des de l’aire) i terrestre (són les que es realitzen sobre la superfície terrestre).

Mètodes geofísics aeroportats: per exemple enregistrar la resistivitat dels terrenys de manera contínua, al llarg de les línies de vol de reconeixement, i així obtenir planells d’isorestivitat semblants, però més generals, que els produïts de forma terrestre. Les variacions de resistivitat del terreny estan íntimament lligades a la distribució de les formacions geològiques o tipus de terrenys rocallosos.

Mètodes geofísics terrestres: les tres propietats principals analitzades pels diferents mètodes geofísics són: la resistivitat o a la inversa la conductivitat, la velocitat sísmica i la densitat. Les tècniques més freqüents són els sondetjos elèctrics i la cartografia de conductivitats. Ara bé, els elèctrics tenen una limitació són adequats per sèries de materials ben estratificats.

Avui en dia s’estan utilitzant cada vegada més sensors remots aeroportats per diferenciar els materials superficials, que donen com a resultat l’obtenció d’imatges de bandes tèrmiques, obtingudes amb un scanner d’infraroigs aeroportats en els que enregistren la radiació emesa per la superfície terrestre.


20

Avaluació del mostreig i mostreig: L’avaluació d’un o varis dipòsits s’han de considerar els següents aspectes:

El gruix de la part potencialment extraible del dipòsit i la relació d’aquest espessor al del recobriment que s’ha d’eliminar a l’escombrera, són factors crítics en l’avaluació dels recursos. La naturalesa de la part estèril o d´escombrera és important a tenir en compte per què depèn de com sigui caldrà fer voladures, o simplement excavació mecànica.

També cal valorar el grau de meteorització lateral i en fondària per a determinar la qualitat del material a considerar o dipòsit.

En definitiva cal fer un mostreig acurat per que tinguem un recurs suficientment qualitatiu i quantitatiu a l’aplicació que nosaltres li vulguem donar. El mostreig es basa en un programa o bé de sondeigs, o de pous, o d’excavacions o dels afloraments. I un cop extret el material corresponent mitjançant les tècniques anteriors cal passar a la seva valoració en els laboratoris.

Explotació i extracció: Actualment, el baix cost de la mineria superficial imposa que les explotacions de granulats es realitzin en la seva gran majoria en pedreres. (accessos ràpids i explotació a cel obert).

Els mètodes i els equips utilitzats per l’extracció de granulats depenen fonamentalment del tipus de dipòsit o jaciment a explotar. La selecció de la tècnica i de la maquinària específica implica considerar una sèrie de factors, sent el més bàsic, el grau de consolidació o enduriment del dipòsit, per exemple:

En els casos de roques sedimentàries, algunes ígnies i metamòrfiques, és necessari usar perforació i voladura, per reduir les masses rocoses a una mida de partícula òptima.

En les arenes, graves i alguns conglomerats, que són materials solts o feblement consolidats, es pot excavar directament al terreny per mitja de màquines de gran format i potència sense necessitat de cap disgregació prèvia.

Sigui quina sigui, la procedència dels granulats, tant de pedreres de roques dures, com de graveres continentals o marines, hi han quatre operacions bàsiques que s’han de considerar:

Desmuntatge del recobriment i preparació del front. Fragmentació primària Excavació i càrrega. Transport a la planta de tractament.

Pedreres de roques dures: Explotació de roques com ígnies, metamòrfiques, calcàries,

dolomies, i algun grup de gressos molt compactes. Fragmentació primària: consisteix en la voladura de la roca d’un front de pedrera. S’ha

de dissenyar aquesta voladura per a obtenir la fragmentació òptima i una pila d’escombrera compatible amb la planta i l’equip usat, reduint la càrrega de treball i la necessitat d’una fragmentació secundaria. Una mida adequada en la matxacadora primària, és la clau per un baix cost de trituració i garbellat. En aquest cas d’explotació cal també realitzar perforacions, en un cas pel desenvolupament propi de l’explotació i en l’altre per les voladures (posar les barrines). L’estructura geològica, la classificació de la massa rocallosa i les propietats de la roca

intacta determinen el disseny de la perforació i per tant de la voladura a adoptar pel tècnic responsable. Per tant, la fragmentació ve determinada per la combinació per un cantó de l’energia explosiva que crea noves superfícies de fractura i de la ruptura de la massa rocallosa a favor de plans preexistents de debilitat com falles, diaclasses, plans d’estratificació ...etc.

La perforació que fem en la massa rocallosa per posar els explosius, pot ser per rotació en el cas de roques més toves o per rotopercussió en roques semi-dures i dures.

I els explosius, poden ser: explosius potents com la nitroglicerina en forma de dinamita i les gelatines en TNT (Ambdós són els més usats en les barrinades per què són força resistents a la humitat). Agents explosius: ANFO barreja de nitrat d’amoni i gas-oil ...etc. Aquest grup és molt més econòmic.


21

Fragmentació secundaria: Si ho imposen les condicions geològiques, fins i tot en el cas d’una voladura ben dissenyada, es produiran grans quantitats de blocs de pedra que necessitaran una segona fragmentació, amb el problema afegit de la necessitat d’usar el mínim de càrregues explosives per a reduir l’impacte o els efectes mediambientals. Un dels mètodes més usats en aquesta fragmentació és deixar caure una bola d’acer per sobre del bloc de pedra des del més alt de la torre d’una dragalina. És un mètode més lent però efectiu.

Càrrega: Aquesta part es dóna quan s’ha aconseguit un grau acceptable de fragmentació. Hi han quatre tipus principals de màquines d’excavació i càrrega que s’utilitzen en aquest tipus de pedreres de pedra dura:

- pales frontals de cable - pales hidràuliques - retroexcavadores hidràuliques - pales : sobre rodes o bé sobre orugues

Transport: Element final del procés d’extracció de la roca fragmentada que és dirigida a la matxacadora primària de la planta de tractament. En la gran majoria de les pedreres s’usen bolquets normals o articulats. Ara bé, en molt països hi ha la tendència cada cop més de realitzat matxaqueig dins de la pedrera. Llavors el material és transportat per cintes transportadores, presentant l’avantatge de poder funcionar amb pendents molt més altes que els bolquets.

Les graveres:

Molts dels principis i mètodes que s’utilitzen en les pedreres de roques dures són igualment aplicables a l’extracció de sorres o arenes i graves. Les principals diferències són: Major extensió de terreny degut a la poca fondària de les explotacions. Necessitat d’un control més immediat del medi ambient i de la restauració

Els dipòsits d’arenes i graves no solen estar consolidats i són d’origen fluvial o glacial, tot i que en algun cas es presenten en forma de conglomerats consolidats. Molt sovint, aquest material pot ser extret mitjançant maquinària normal de moviments de terra. L’únic inconvenient que presenten aquestes explotacions és si estan molt properes al nivell freàtic inundant-se, llavors cal fer un bombeig o desaigüe parcial per permetre l’excavació.

Dins de l’apartat d’explotació i extracció cal comentar la Restauració, es tracta d’un requisit fonamental, que consisteix en la recuperació del terreny d’on s’ha extret el material. Quan es planteja el cost d’una explotació i la seva viabilitat cal tenir en compte aquest apartat. Avui en dia és obligatori tractar la restauració, normalment ve delimitada en la concessió de la pedrera.

La càrrega i el transport: Sempre que sigui possible aquestes explotacions eviten usar bolquets i el material és transportat per cintes transportadores a llargues distàncies. La forma de càrrega és per tremuja que porta acoblat un garbellat per eliminar qualsevol material rodat de mida excessiva, que per tant es queda a la gravera.

La classificació es realitza amb tamisos de diferents grandàries de pas.


22

Tractament: L’objectiu d’una planta de tractament d’àrids és preparar la roca de manera que sigui adequada

per al seu ús com a granulat. Una planta de tractament inclou instal·lacions de matxuqueig i molturació i classificació del material. El tractament consisteix en definir:

La mida de partícula i distribució granulomètrica. La forma de partícula. Les propietats mecàniques.

Matxuqueig: El matxuqueig consisteix en un procés de trituració mitjançant

matxacadores de mandíbules, trituradors giratoris o trituradors de rotors. Les matxacadores de mandíbules com les trituradores giratòries tenen capacitat de reduir roques dures i abrasives, en canvi les trituradores de rotors o impactadors tant sols roques menys abrasives. Tipus de matxucadores: Matxacadores de mandíbules: comprimeixen la roca entre una mandíbula fixa i una

altra mòbil produint la ruptura del material. El moviment de retorn de la mandíbula mòbil permet una alimentació d’entrada de nou material i extracció del suficientment triturat. Les mandíbules són d’un aliatge de manganès. Aquestes matxacadores són útils per a qualsevol tipologia de roca dura.

Matxacadores trituradores giratòries: consisteixen en una cambra cònica de trituració blindada, dins del qual gira un element triturador. El material es comprimeix a mesura que es mou cap a la paret de la cambra i al mateix temps s’allibera en el punt diametralment oposat i descendeix triturat cap a la zona de descàrrega. El sistema també és adequat per a qualsevol tipus de roca dura i abrasiva, però no en canvi per a materials tous i porosos, doncs es poden compactar en la cambra.

Rotors que consisteixen en una cambra recoberta de plaques de xoc, dins la qual gira un rotor sobre un eix horitzontal. És el sistema de trituració o matxuqueig que comporta el major grau de reducció del material de l’ordre de 20:1 en una sola fase. També és força avantatjós, a més a més del grau de reducció del material, pel baix cost financer i operatiu i la facilitat d’instal·lació pel poc espai que necessita. Però en canvi, és un sistema força abrasiu, quedant reduït el seu ús a roques com calcàries, dolomies i roques no silíciques.

Hi han molts altres sistemes i equips de trituració com: impactadors d’eix vertical, trituradors de con, matxacadores de rodets ...etc.

Classificació per mides: Consisteix en el garbellat del material molturat o matxacat amb

l’objectiu de tenir el material seleccionat per mides, i així obtenir una millor eficàcia del producte final. Una de les limitacions del procés de garbellat és la humitat del material doncs es produeixen obstruccions i aglutinament, per evitar-ho cal usar sistemes vibratoris amb pulveritzadors que afegeixen aigua per a destruir la cohesió de les partícules. Hi han molts sistemes de garbellat com el trómel (força usat en instal·lacions petites o mòbils de baixa capacitat), els barrots, ...etc. Un cop separat el material per mides cal fer l’última selecció o classificació. És per formes o densitats similars, la selecció es fa usant aigua o líquids especials o bé en el cas de la forma usant sedassos amb malles d’obertura allargades on el material resta en les planxes reflactores. Cal afegir que prèviament a tots aquests processos de tractament del material, sobretot en dipòsits de sorres i graves on s’acostuma a haver-hi llims i argiles o en el cas de calcàries i gresos amb nivells d’argiles, cal eliminar per neteja, per què en cas contrari poden causar problemes en el matxuqueig i garbellat. El sistema de neteja pot ser:

- Rentador de pedres o desargilador, consisteix en desbordar el tonal d’aigua dispersant l’argila i separant-se del granulat gros. - Tròmel el qual en la part de descàrrega té un classificador i l’argila és separada dels granulats fins.

Per últim el material és emmagatzemat en unes sitges intentant evitar la segregació del mateix, i es ven per pes.


23

Assaigs dels Àrids i Normativa: Assaigs: Per a avaluar el material cal realitzar un conjunt d’assaigs que ens marca la normativa.

Ens basem en l’estudi de les propietats físiques, mecàniques i químiques dels granulats, amb l’objectiu de predir el possible comportament en servei del material del compliment de les especificacions i del control de la qualitat.

Una sola mostra donarà solament un únic valor per a qualsevol propietat estudiada, i que no té per què ser representativa de tot el dipòsit d’una sèrie de roques. Per tant haurem d’agafar més d’un mostra de les diferents zones de la pedrera.

La informació obtinguda dels assaigs serà tan representativa del material com ho siguin les mostres sobre les que s’han realitzat.

Mostreig: Consisteix en agafar mostres de totes les parts de la pedrera (quant. molt gran) Quarteix: Consisteix en reduir la quant. del mostreig per la quant. demanada en l’assaig.

Assaigs Físics: Granulometria dels granulats (UNE-EN-12620): determinar les mides del material amb

tamisos que òbviament vindran influenciades per les formes d’aquest. Les mides del material s’expressen en % de pas (“passes”). Interessa que el total s’assembli a una paràbola.

Equivalent de sorra (UNE-EN 933-8:2000): mètode ràpid i de camp per a determinar la proporció de fins argilosos i plàstics de granulats que passen pel tamís de 2 mm. Consisteix l’assaig en abocar en un cilindre de plàstic graduat una petita quantitat de dissolució floculant a una Tº de 22ºC i un volum mig de granulat fi sec de la mufla. Llavors els recobriments argilosos es desprenen dels grans grossos per agitació, posant-se en suspensió els constituents argilosos sobre l’arena. Després d’un període preestablert de sedimentació es mesuren les alçades d’argila i arena. El resultat és la relació d’alçades d’un enfront l’altre multiplicat per cent. Aquest assaig presenta un problema: que hi hagi una part de calcaries de grandària petita.

Valor d’equivalent de sorra = (sorra)/(alçada) · 100, com més a prop del 100% millor Dins d’aquests assaigs hi ha el de blau de metilè, es tracta d’un tint orgànic que es dissol amb aigua per donar una dissolució blava, i que pot ser absorbit de la solució per les argiles expansives. Aquest sistema permet avaluar la quantitat d’argiles en una mostra de roca o granulat, mesurant la quantitat de blau de metilè absorbit.

Forma del granulat: la forma indica l’origen del granulat (de matxuca o rodats). Determinar la forma ens dóna idea de l’equidimensionalitat.

Textura superficial: mesura la rugositat del granulat. Assaigs de resistència :

Coeficient d’abrasió (o coef. de poliment accelerat [cpa]): es mesura la pèrdua de pes durant l’assaig i s’expressa amb percentatge del pes de la mostra original. Un coeficient baix significa una roca resistent, i per tant reflexa la duresa i la fragilitat dels constituents mineralògics. Dóna una estimació del desgast superficial. Per exemple: una resistència inadequada dels granulats per a recobriments de carreteres produeix una pèrdua ràpida de la profunditat de la textura per a mantenir una bona resistència al lliscament a alta velocitat. Utilitzat per saber si pot ser capa de rodadura de carretera

Coeficient de Desgast de Los Angeles: consisteix en fer passar la pedra per un molí de boles i veure com es desgasta [Atac per abrasió i fregament]. Està relacionat amb la fragmentació i per tant amb el càlcul del coeficient de fragmentació.

Assaigs d’estabilitat: consisteixen en mesurar la resistència als canvis volumètrics (deguts als cicles de gel - desgel), de temperatura, d’humitat - sequedat ..etc. Es sol realitzar en neveres o amb una solució de sulfat de magnesi (cristal·litza amb expansió).

Assaigs Mecànics: Mesura de la resistència de la matriu de la roca a un estímul exterior de compressió i de tracció. Assaigs Químics:

Contingut de matèria orgànica: es posa un indicador en la mostra i si aquesta obté un color més fosc que la del patró, vol dir que hi ha força matèria orgànica i llavors es desestima el granulat o àrid.

Contingut en clorurs: la presència d’aquests en el formigó pot presentar un perill potencial perquè per una banda poden reduir la resistència front als sulfats, i per l’altre banda augmentar el risc de la corrosió de l’acer introduït.

Contingut de sulfats: expressat en % de triòxid de sofre. Reactivitat potencial front als àlcalis: hi ha tres maneres de mesurar-ho, una de les maneres és

petrogràfica o per difracció de raigs X, una altra és per la mesura directa de l’expansió amb un morter amb una forma prismàtica, i la darrera mitjançant una anàlisis químic amb un tractament amb hidròxid de sodi i així manifestar la seva reacció.


24

Formigó Fresc

Formigó Fresc: El formigó fresc és el formigó de les primeres edats, quan encara no ha endurit. Aquest període de “frescor” dura fins que el formigó deixa de ser deformable, és a dir, fins que

deixa de ser fluid [Des del punt de vista pràctic adoptem 24h.]. Tot i això es considera que la presa dura entre les 6~10 primeres hores i que les resistències

mínimes s’obtenen en els 1~2 dies. També s’ha de considerar que un encoframent pot durar un dia en una proveta, però en una

estructura es pot allargar a 1~3 dies La frescor del formigó és determinant per considerar la seva treballabilitat.

Un formigó poc treballable pot causar una mala mescla i un mal abocament.

Propietats Importants del Formigó Fresc: Fluïdesa: Capacitat per ser conduït i per fluir en l’encofrat o motlle, rodejar l’armadura amb o

sense ajuda d’equips auxiliars. Mesura la mobilitat. Compactabilitat: L’aire retingut durant els processos de mescla i transport ha de ser eliminat, p.e.

amb vibradors. Estabilitat: També anomenada cohesió. Cal que el formigó es mantingui com una massa

homogènia (que no segregui). Mesura la resistència a segregar i a exsudar [L’aigua queda en la superfície del formigó].

Els components del formigó fresc tenen diferents densitats, fet que implica l’actuació de la gravetat provocant sedimentacions. [ δaigua = 1 ; δciment = 3,1 ; δàrid = 2,5~3,7 ; ... ]

Aquest fet es pot evitar variant la composició, afegint additius [fluidificants], filler (pols mineral) o fibres (floten i eviten la segregació). Físicament s’observa que pasta, morter i formigó són suspensions concentrades de

partícules de diferents grandàries.

Treballabilitat = Fluïdesa + Compactabilitat [ Treballabilitat = Workability ]

Model de Bingham: 1/µ <τy>

Equació de Bingham: El sistema no comença a fluir fins que la tensió de cisallament aplicada no assoleix un valor τy suficient per superar els efectes d’interferència entre les partícules; a valors superiors de τy la variació vel./tensió és aproximadament lineal i la pendent defineix la viscositat plàstica µ.

τ = τy + µ

Velocitat de cisallament

Tensió de cisallament

- τy deguda a la força necessària per vèncer Fµ


25

Slump: Assentament [“Con de Xcm” (alçada)] Shear: Segregació Repetició de l’assaig

Sistemes de Mesurar la Treballabilitat: Caldria determinar τy i µ (fet que és difícil). Es pot fer amb els sistemes de 2 punts de Tattersal i Banfill (1983). En la pràctica tenim una sèrie d’assaigs arbitraris dits “de 1 sol punt”:

Con d’Abrams:

Mesura una certa fluïdesa Es mesuren assentaments de 0 a 175 mm (o en cm). NO serveix per a formigons molt fluids o molt secs. És un mètode molt estès, però dolent. La seva millor

aplicació seria controlar l’uniformitat de producció

Funcionament: Es va omplint el con amb formigó i es va compactant amb una barra. Es sol omplir quatre vegades, i es compacta donant 25 cops amb la barra dins el con.

:

Classificació de formigons segons Con d’Abrams:

Assaig del Factor de Compactació (Compacting Factor): B.S. 1881: Part 103: 1993 (reaprovat el 1992)

Mesura la compactabilitat (Molta aplicació en pre-fabricació i en paviments) No intervé el factor humà

Alçada de 1,20 cm

Funcionament: El recipient troncocònic superior es més gran que el inferior. Al caure lliurement del 1r al 2n el formigó rep una primera compactació estàndard. S'elimina el formigó que sobra, enrasant. Després es deixa caure dins d'un motlle de 15 x 30cm i es torna a enrasar.

o Valors entre 0,7 i 1, com més a prop de 1, més treballable és el formigó. o

100mm 300mm 200mm

F. secs con < 2 F. plàstics con >2 estable F. fluids con col·lapsat

assaigdelespecíficamassacilindredelVolum

cilindreelenformigódePes=

)1(....

compactatntcompletameformigódelespMassaassaigdelespMassaCF =

(1) S’obté omplint el motlle en 4 capes vibrades o bé calculant el volum tècnic de cada component i sumant.

Treballabilitat F.C. Assentament en con (mm) Molt baixa 0,78 0-25 Baixa 0,85 25-50 Mitja 0,92 50-100 Alta 0,95 100-175


26

(A) (B)

Assaig de Vebe: creat pel professor suec V. Bährner. Mesura la resposta a la vibració. [Compactabilitat] És el temps, en segons, en que un con de formigó com el del mètode

d’Abrams omple per efecte de la vibració un cilindre. Els temps estan entre 1 i 25 sgs. (Com més temps menys compactabilitat).

Permet distingir formigons amb con 0.

Funcionament: S’introdueix un con d’Abrams en un cilindre vibrant i es treu la protecció metàl·lica. Després es comença a fer vibrar el cilindre fins que el con queda totalment adaptat al contorn d’aquest.

Taula de Sotregades: Mesura la fluidesa sota una acció constant. Permet distingir formigons massa fluids pel con d’Abrams.

Funcionament: Es col·loca un con d’Abrams sobre la

taula i es treu la protecció metàl·lica. La taula realitza 15 cops, aixecant-se per un sol costat. Es mesura el diàmetre del formigó assentat (Flow).

Mesures: Plataforma [ L= 700mm h= 40mm], Con: [ h= 200mm, B= 200mm, b= 130mm].

P. ex: d = 40 cm seria un formigó de treballabilitat mitjana, mentre que d = 50 cm seria un formigó de treballabilitat alta.

Pèrdua de Con:

Amb el temps es formen productes més sòlids i per tant es perd fluïdesa i con. (sobre tot ETRINGITA I CSH).

Es consumeix aigua lliure (Una ½ hora després de mesclar) per les reaccions d'hidratació, absorció i evaporació. (Atenció a l’estiu!)

Les segones addicions d’aigua en obra són fatals. Les pèrdues de con massa ràpides són per:

Presa anormal del ciment (excés de C3A) (molts alcalins). [Flashset] Temps massa llargs de mescla, transport, parades. Alta temperatura del formigó pel calor d’hidratació. (reacc. hidratació exotèrmica) Interaccions ciment – additiu. Possibilitat de falsa presa a causa del guix dihidratat. En la molta es pot deshidratar el

guix i al afegir aigua el guix hemihidrat passa a dihidrat. Aquest fet es soluciona accelerant la velocitat de la pastadora.

Estabilitat (Cohesió) i les seves conseqüències: Entre la col·locació i la fi de presa poden passar

varies hores, al estar plàstiques o semiplàstiques les mescles.

Acció: La gravetat afecta els components produint sedimentacions. ( Ciment granulats ↓, Aigua ↑ ) Conseqüències: Exudació: Formació d’una capa d’aigua que pot arribar fins el 2 % del gruix de la

peça. Les principals causes són la pobresa en fins (<300µm )i l’excés d’aigua L’aigua s’evapora i la pujada d’aigua no és prou ràpida Retracció Plàstica per assecament

diferencial Fissurasions. (A) Si hi ha obstacles en la sona de sediment (barres, granulats grans, ...) es produeix un

Assentament Plàstic Fissuració vertical. (B)

h

L


27

Problemàtica del Curat:

Temperatura del curat: Tota reacc. quim. és afectada per la Temp. En el ciment un

augment de 10ºC pot doblar la velocitat de reacció. A edats curtes la resistència sempre puja amb la temperatura. A edats més llargues la resistència és millor amb formigons

curats a temperatures més baixes – moderades. El límit està als 23ºC (Tº Estàndard de reacció). La

causa és una formació massa ràpida i poc uniforme del CSH, que serà més dèbil a més temperatura.

A temperatures per sota els -10ºC la reacció de presa es para. No es convenient formigonar per sota els 5ºC

A temperatures per sobre els 60ºC, inhibició de formació d’ettringita i aluminats. Aquest es forma quan es baixa altra vegada per sota els 60ºC produint expansions.

En la prefabricació escalfen i fan curat túnel. (curat amb vapor d’aigua a 40~50ºC). Compensen la disminució de resistències amb un augment de la relació de ciment.

Augment de la temperatura en el curat: Pasta de ciment i formigó amb diferents continguts de ciment

(condicions adiabàtiques):

Com menys quantitat de ciment en el formigó menys s’escalfa el total de la mescla, fet que ens confirma que és la pasta de ciment en hidratar-se la que produeix l’alliberament de calor.

Pèrdua de calor segons la profunditat: Aquest fet condiciona el gruix i la necessitat de refrigeració. Possibles solucions:

Cendres volants (o Putzolanes): Substitució d’entre un 35~40% del total de ciment.

Refrigeració: Enterrar serpentines en el formigó per on circula

aigua fred (procediment molt car). Instal·lar fàbriques d’escames de gel a peu d’obra i afegir 50% d’aigua i 50% d’escames

de gel. La calor alliberada en les primeres hidratacions es consumeix en la fusió del gel. [molt utilitzat en obres on s’utilitza ciments en grans quantitats, com ara les preses].

Problema de la humitat: (100% ≡ 28 dies curat sempre amb humitat) Un formigó amb una cura constant pot desenvolupar unes

resistències molt elevades. Tot i això la cura del ciment és un fet que no es sol contemplar en la construcció d’edificis o estructures.

Hi ha una cura recomanada en relació a les resistències desenvolupades de 7 dies per al ciment Pòrtland. Per sota els valors establerts disminueix el valor de les resistències ja que es formarà menys CSH.

Existeixen additius de cura que impermeabilitzen el formigó, impedint la pèrdua d’aigua per evaporació. Tot i això presenten defectes que fan que el rendiment sigui baix:

La pel·lícula impermeabilitzant es pot trencar. No es pot aportar humitat de més a més per afavorir la cura.

L’ideal seria poder anar mullant (amb gotes) o humitejant el ciment durant el procés de cura en la obra. [Tenir una persona encarregada de la tasca]

% R

esis

tènc

ia a

com

pres

sió

Temps (dies)


28

Formigó Endurit

Resistències: La propietat més important per acomplir l’exigència estructural [Qualsevol obra requereix uns mínims de resistència estructural]. A més dóna una indicació d’altres propietats més difícils de mesurar directament (p.e. el mòdul elàstic, la durabilitat encara que amb limitacions).

En el formigó valorem la resistència a compressió, que és similar a la de les roques, mentre que a tracció és unes 10 vegades més baixa que a compressió.

Obs: En el formigó armat l’acer és qui assumeix les resistències a tracció, mentre que el formigó les de compressió.

Fases del formigó: Pasta de ciment, Grava: àrids que es troben barrejats en la pasta de ciment. I

Zona de transició: zona compresa entre la pasta i els àrids

Zona de transacció: [Descoberta el 1975 i acceptada el 1985] Element més dèbil de l’estructura del formigó. En un formigó compactat recentment es forma una pel·lícula d’aigua al voltant del granulat gros.

Això significa una zona amb A/C més gran que en la resta del morter. En una A/C alta els cristalls que es formen al hidratar-se el ciment (ettringita, portlandita) són més

grans, formant una ESTRUCTURA més POROSA. Amb el progrés de la hidratació la zona de transició es reforça una mica amb el CSH i l’ettringita secundària que apareixen.

La fissuració comença a les esquerdes o buits preexistents a

la dita zona, al créixer la tensió, des de la zona de transició les fissures es propaguen per el morter – pasta.

→ Camí típic de les esquerdes en el formigó.

Resistències a Compressió :

Exigències de normativa: A Espanya es mesura en una proveta cilindrica de 15 cm de diàmetre x 30 cm d’alçada.

(sistema també utilitzat a França i EE.UU.) A la majoria de Països Europeus es mesura en provetes cúbiques. (p. ex. UK i Alemanya). Les

dimensions del cub depèn del diàmetre del granulat màxim: Diàmetre ≤ 20mm : costat de 10 cm Diàmetre entre 20mm i 40mm : costat de 15 cm

Distribució de les fissures: Es pot observar que no hi ha un camp de forces

uniaxial per efecte Poison de les plaques de la premsa. Realment és un estat triaxial. Aquest

efecte és més gran en la proveta cúbica. Rcil. = 0’80 Rcub

→ Distribució de fissures en una proveta cúbica i en una cilíndrica amb un relació (alçada/diàmetre) = 2

L’Hermite (1955) suggereix: Rcil = 0’76 + 0’2 log10 (Rcub/19’6) [MPa = N/mm2]

Efecte de la relació h/d sobre la resistència en cilindres: Ideal (h/d) = 2 És possible que no sempre disposem d’una proveta amb (h/d) = 2, per . això ens basarem en les corbes ja estipulades per comprovar les

equivalències. %

Res

istè

ncia

a c

ompr

essi

ó

Relació h/d d’una proveta cilíndrica

El 100% és pren respecte d’un cilindre amb h/d = 2 (a 28 dies).


29

Resistències a Tracció: l’assaig a tracció és molt difícil de realitzar de manera directa, però s’utilitzen

mètodes alternatius.

Tracció directa uniaxial: molt difícil per problemes de subjecció. És complicat aplicar una tracció completament perpendicular a l’eix de la proveta, sovint es realitza una tracció tallant. Flexotracció: Prismes de 100 x 150 mm de secció i una L = 400 o 600 mm.

Aquest assaig implica traccions en la cara inferior i compressions en la superior. Útil per determinar si un formigó és vàlid per paviment.

Assaig Brasiler o de Compressió Diametral: Cilindres de 15 x 30 cm amb distribuïdors de tensió. Es considera que en el pla vertical de fractura hi ha tracció uniforme, però hi ha fortes concentracions de tensions a compressió en els contactes amb els plats. Normalment es sobrevalora la resistència a tracció.

Aquest assaig pot presentar un sobredimensionament perquè hi ha uns instants en els que la pressió es realitza sobre superfície plana.

Efectes sobre les resistències:

Relació A/C: La resistència depèn de la porositat i aquesta de A/C i del grau d’hidratació. La A/C de la pasta condiciona també la A/C de la zona de transició que és més baixa.

Llei d’Abrams (1918): Rc = (K1/ K2 a/c )

K1, K2 depenen de l’edat, el temps de curat, règim de curat, tipus de ciment, aire, i menys del tipus i grandària del granulat.

Relació A/C i Edat: Rc i Edat per ciment

Pòrtland i Ø màx. = 20mm

Limitacions de la Llei d’Abrams: La Llei d’Abrams només és aplicable en l’interval [0,3 ~ 1] de relació A/C, ja que als

volts de 1 és impossible evitar la segregació als volt de 0,3 les quantitats de ciment generen efectes tèrmics.

o Avui en dia existeixen fluidificants els que permeten un augment de la fluïdesa sense afegir

més aigua de la necessària, mantenint una bona fluïdesa durant 1h. Els superfluidificants o fluidicicants de segona generació permeten una gran fluides durant uns 30’. Si necessitem més temps de fluïdesa podem afegir quan segona dosi d’additiu (aportaria un 20% de l’eficàcia de la primera dosi) o utilitzar fluidificants de 3a generació (super-superfluidificants) que mantenen una alta fluides durant més d’una hora i estalvien d’un 30 a un 40% d’aigua, però són molt cars. [Tot i això l’economia global ho aconsella]

Formigons d’Alta Resistència: Formigons amb resistències de 100MPa en amunt.

Han permès A/C = 0’3 i menys, i resistències superiors a 100 N/mm2.

Suport

Càrrega

Proveta de formigó de 15 x 30 cm.

Pla de ruptura

Placa de recolzament

Recolzament

Càrrega Recolzament

Mostra

L


30

Edat: El grau d’hidratació creix amb l’edat. Les reaccions d’hidratació no són mai completes per tant en presència d’humitat la resistència

creix durant anys, encara que poc.

Temperatura i Humitat: (ja han estat considerades en el curat)

Resistència del Granulat: Ja que Rg > Rzt no té importància Rg. Sols en el formigons d’alta resistència i en formigons de granulats lleugers pot tenir

importància, doncs pot ser el punt dèbil. [Els àrids hauran de tenis uns resistència igual o més gran que el fomigó.]

Grandària Màxima del Granulat:

Els granulats al ser més grans tenen una superfície específica més petita i per tant una zona de transició més dèbil (la zona de transició depèn de la superfície especifica). Aquest efecte és molt més crític per A/C molt baixes.

Proporció en Volum (Ciment/Granulat) per (A/C) constant:

La resistència creix lleugerament amb la proporció de granulat. Efecte de produir més esquerdes secundàries abans de fractura, per la qual cosa cal més energia per trencar. En conclusió: amb una igualtat d’ A/C és aconsellable augmentar la quantitat d’àrid.

Sols és vàlid si hi ha pasta suficient per omplir els buits entre granulats.

Fractura i Microfissuració:

(30 % de la tensió final) Estabilitat de les microfissures de la zona de transició. Linealitat. Resposta elàstica: No hi ha deformació permanent.

(30-50 % de la tensió final) Creixement de les microfissures o els porus dins de la zona de transició. Comença no linealitat (corbatura).

Primeres deformacions. (50-75 % de la tensió final) Microfisures corren per la matriu. Creix no linealitat.

Comença la Plasticitat: Deformacions rellevants (>75 % de la tensió final) Creixement espontani de les microfissures. Màxima desviació de la

linealitat. Zona plàstica: Cada augment de tensió provoca un augment considerable de les esquerdes. Si ens aturem en el 75% podríem arribar a l trencament amb el pas del temps.

Cada component del formigó presenta unes resistències diferents, que en conjunt donen la del formigó. Si analitzem cada component per separat podem observar:

L’àrid (coarse aggregate) té un comportament quasi elàstic no assoleix el trencament.

La pasta (hcp) pateix una petita deformació a altes tensions, però es comporta elàsticament durant un període llarg.

El morter té un comportament elàstic fins a tensions elevades, però hi ha un punt on es fissura i passa a ser plàstic sobtadament.

El formigó perd la linealitat molt ràpidament. Aquest fer s’explica per la presència de la zona de transició, element dèbil del formigó que no tenen els altres components.

Mecànica de la fractura:

La fractura a compressió depèn de la interacció de moltes fissures i no de la propagació d’una sola.

Les fissures en la pasta o el formigó segueixen camins tortuosos contornejant grans de ciment, granulats.

En el formigó cada fase té la seva pròpia resistència.


31


32

Mòdul de Deformació

Elasticitat del Formigó: formigó no és un material elàstic, per tant no podem parlar d’un mòdul d’elasticitat com a tal, sinó que és més apropiat parlar d’un mòdul de deformació.

Corba tensió - deformació del formigó: Es defineixen 3 mòduls diferents:

Mòdul Tangent: (TT’) Pendent de la corba tensió - deformació en qualsevol punt.

Mòdul Secant: (OS)

Pendent d’una recta que va des de l’origen O fins un punt S que correspon al 40 % de la tensió de trencament.

Mòdul Corda: (CS)

Pendent d’una recta que va entre 2 punts de la corba tensió - deformació. El punt de sortida no és 0 sinó un punt C (escollit per convenció) [correspon a ε = 50µm (es pretén corregir la lleu concavitat d’origen deguda a defectes inicials de l’assaig)] i el punt final S.

ε = 50µ/m (Es pretén corregir la concavitat d’origen) i el punt final correspon al 40%.

Per evitar els defectes inicials es procedeix polir la proveta. Hi ha dos sistemes per fer-ho:

Polidora manual o automàtica.

Refrentat amb sofre i sorra. Presenta un problema ambiental greu ja que les provetes van a l’abocador amb una certa quantitat de sobre i implica un mal reciclatge. S’acabarà prohibint.

Valors Exemple:

Tensió última = 25 MPa 40% de Tult = 10 MPa (OS) Tangent a l’Origen (Md) = 34 GPa

(Md: Mòdul dinàmic, 20~40% més gran que l’Estàtic, útil per terratrèmols, impactes, ...)

Coeficient de Poison: Relació [ (Deformació lateral) / (Deformació axial) ] dins de l’interval elàstic.

Varia entre = 0,15 i 0,20

Tangent = 17 MPa Secant = 25 MPa (OS) Corda = 24 GPa


33

Factors d’Influència en el mòdul:

Granulat: Per las seva Porositat

La porositat determina la rigidesa del granulat per tant, si la rigidesa del granulat controla la restricció de deformacions de la pasta, la porositat del granulat el mòdul de deformació.

Àrid rígid Resistència a la deformació elevada. (i viceversa) Tot i això els mòduls de deformació dels àrids o granulats són molt més alts que el del

formigó, per la qual cosa només ens interessaran àrids poc deformables pel formigó d’alta resistència.

Exemples: Granit (69-128 GPa), Calcària (21-48 GPa), ...

Pasta de ciment: El grau d’hidratació i la relació A/C condiciona la porositat que al mateix temps determina la

resistència a la deformació. El mòdul d el pasta varia entre 7~28 GPa.

Zona de Transició:

És la zona més dèbil del formigó i la més porosa, per tant és la que condiciona la deformació final total.

Paràmetres d’assaig:

Velocitat de càrrega: Instantània Mòdul de deformació molt alt 2 a 5 min Mòdul de deformació disminueix (hi ha deformació prèvia)

Humitat:

El mòdul de deformació en condicions de saturació augmenta un 15% respecte mòdul de deformació en condicions d’assecament. (inversa que a la resistència compressió ja que en la compressió l’aigua crea tensions locals al no poder sortir, mentre que és deformable i fa augmentar el mòdul de deformació).


34

Estabilitat i Canvis Volumètrics

Volum dels Productes d’Hidratació:

Per 100 gr. de ciment i una relació a/c = 0,42 tenim:

La reducció de volum del sòlid és aproximadament del 8~10%. Observem que els capil·lars estan sense aigua i per tant en aquestes condicions la velocitat de

hidratació es massa petita i es sap que per que aquesta permeti una correcta hidratació cal el doble de l'aigua necessària per la reacció química.

Cal una pressió de vapor del 0,8 de la pressió de saturació en els capil·lars, que es d'on s'agafa el ciment l'aigua.

Retracció Endògena:

Es conseqüència de la pèrdua d'aigua dels capil·lars per hidratar-se el ciment. Si l'aigua dels capil·lars no es compensada per nova entrada es traduirà en una retracció. Aquesta serà molt petita doncs, aquest canvi volumètric està restringit per la pasta ja rígida i

pel àrid.

Valors típics de retracció endògena són a un mes 40 x 10-6 i en 5 anys 100x10-6.

Tendeix a augmentar amb: La temperatura El contingut de ciment La finor del ciment Amb el contingut de C3A i C4AF La substitució de ciment per cendra volant rebaixa la retracció endògena. La c/c: com més baixa, més possibilitat de retracció endògena.

Retracció per Assecament:

La sortida d'aigua del formigó quan aquest està en una atmosfera no saturada provoca la retracció per assecament.

Una part d'aquesta variació de volum es irreversible i no es produeix simultàniament en tot el volum del formigó, varia en funció del gruix.

Mecanisme en pasta de ciment pura:

1r: Pèrdua d'aigua lliure, que no provoca retracció. 2n: Pèrdua d'aigua absorbida en el gel de CSH

El CSH està carregat electrònicament ja que no té una fórmula estequiomètrica fixa i les molècules d’aigua (polars) es dipositen al seu voltant.

La variació de volum experimentada es aproximadament igual a la de la pèrdua d'una capa d'aigua absorbida, que tingui el gruix d'una molècula i la superfície de totes les partícules del gel.

El gruix d'una molècula d'aigua es ≈ 1 % de la grandària d'una partícula, per tant en el límit (assecament total) podem esperar una variació lineal de dimensions de la pasta de ciment de 10.000 x 10-6 (m/m)

En pastes de ciment la pèrdua d'aigua i la retracció són proporcionals i la retracció creix amb a/c.

Brooks (1989) va demostrar que per valors de a/c entre 0,2 i 0,6 en pastes la relació es

proporcional. Més amunt de 0,6 l'excés d'aigua es tal que aquesta és perd sense retracció.

42,0 ml d’Aigua 31,8 ml de Ciment

0% Hidratació

5,9 ml Porus Capil·lars (retracció)

19,0 ml d’Aigua de gel 48,9 ml de Ciment

100% Hidratació

Considerant un sistema tancat i sense entrada ni sortida d’aigua


35

Mecanisme en morter i formigó: Valors de formigó i morter observats en provetes tipus a 21º i 50% d’humitat relativa:

Es pot escriure: Sƒ = Sp (1-a)n on:

Sƒ = retracció formigó Sp = retracció pasta pura a = proporció d'àrid n = varia entre 1,2 i 1,7 (depèn de l’àrid)

Les propietats elàstiques del àrid determinen la proporció de restricció.

Com més rígid és un àrid, més s’oposa a la deformació de la pasta. Així, si l'àrid fos d'acer la retracció seria 3 vegades més petita que la dels formigons

amb àrids normals.

Reichard (1964) va trobar la relació entre la retracció i el mòdul secant del formigó a 28 dies depèn del mòdul de l'àrid.

Els àrids normals no tenen retracció, però les Dolerites, els Basalts i les Grauvaques si que

en tenen, per tant els formigons fets amb àrids d'aquesta naturalesa tindran més retraccions molt grans. La retracció dels àrids es desenvolupa en les primeres edats (fins al 1r any) i continua

però amb un ascens molt menys important. Retraccions d’àrids (de + a - ): Gres, Grava de Riu, Basalt, Granit, Calcedònia, Quars.

Influència de la Humitat:

La retracció principal s'experimenta durant el primer any, però el fenomen complet dura fins 30 anys. Però l'última part te un gran paper la retracció per carbonatació. Es ha dir, no sols tenim retracció per assecament ( s'explica després junt amb la carbonatació) A grans trets, en la carbonització es desprèn aigua

que s’evapora i causa retraccions. Com més humitat més bon comportament del

formigó. Zona desèrtica: Problemes greus per assecament a

causa de la gran evaporació.

Retracció respecte el 100% corresponent a la retracció en 20 anys Temps (d = dies, a = anys)

Previsió de la Retracció: Segons l' ACI (American Concrete Institude):

t = Temps (en dies) St = Retracció a t dies, contats després d'un període de curat de 7 dies Sult = Retracció última

Si el curat és amb vapor calent, el valor 35 és substitueix per 55 i el temps de cura suposat

està entre 1 a 3 dies.

Retracció · 10-4 per rel. d’A/C indicades Relació Agregat/Ciment 0,4 0,5 0,6 0,7

3 800 1200 - - 4 550 850 1050 - 5 400 600 750 850 6 300 400 550 650 7 200 300 400 500

L’àrid Restringeix la Retracció

Augment d’Àrid ↓↓

Disminució de Retraccions

(Veure Fig. 9.10) En la qual veiem l'influencia de la proporció d'àrid en volum sobre la retracció del formigó en relació a la de la pasta.

Sultt

tSt ⋅+

=35


36

Retracció Diferencial: La retracció no es uniforme en el interior del element, doncs la pèrdua d'aigua te lloc en la

superfície. Això provoca retracció diferencial que al mateix temps provoca fissuracions. L'esquerda progressa des de la superfície cap a l'interior lentament.

L' Hermite (1960) observa que l'esquerda penetra 75 mm en un mes i 600 mm en 10 anys.

Influeixen molt la forma i dimensió de les peces [ Relació (Àrea/Volum) ]

Compensació de la penetració: Quan la retracció es restringida pot resultar també en fissuració. També es poden separar

elements obrint juntes. S'han desenvolupat ciments expansius. Aquests expandeixen durant els primers dies de

vida i s'obté una espècie de pretensat quan es restringeix aquesta amb una armadura. L'acer es traccionat i el formigó comprimit. Aquests ciments son molt més cars que el Pòrtland. Van bé en ancoratges, plataformes de ponts, plaques de paviments i dipòsits de líquids.

Llocs on la fissuració es molt problemàtica. Exemple de formigó expansiu: Tipus K: L’additiu es 4 CaO.3Al2O3 (C4A3) que es

combina amb el sulfat del ciment pòrtland i forma ETRINGITA. Es tracta d'una formació controlada i en els primer dies.

Fluència: [Relacionada amb la retracció per assecament]

Deformació sota càrrega constant amb el temps. S'ha demostrat experimentalment que és parcialment reversible, per la qual cosa s'interpreta

com una deformació amb una fase elàstica pura i una fase amb una deformació viscosa també pura. L’elàstica es totalment recuperable després de retirar la càrrega mentre que la viscosa no es recupera

Relació fluència - temps:

Es determina experimentalment. Retracció respecte el 100% corresponent

a la retracció en 20 anys

Temps (d = dies, a = anys)

Naturalesa i mecanisme: Rau en la pasta i està relacionada amb el moviment d'aigua absorbida o intercristal·lina.

L’aigua es mou mecànicament per l’esforç de compressió

Glücklick va demostrar que eliminant tota l'aigua evaporable desapareixia la fluència. Si no hi ha aigua absorbida no hi ha fluència.

El Mòdul d’Elasticitat del àrid: L’àrid quasi no té fluència. Com més gran sigui més coacció hi haurà i per tant menor fluència conseqüentment la

porositat de l'àrid també es molt important.

La Tensió i la fluència: Existeix una proporcionalitat entre la tensió aplicada i la fluència. No hi ha límit inferior. La resistència del formigó es inversament proporcional amb la fluència.

Efecte de la temperatura sobre la fluència: La velocitat de fluència augmenta amb la temperatura fins els 70º ( x 3,5 vegades)

Té importància en els dipòsits de pressió de centrals nuclears. Està en relació al desordre provocats en l'aigua absorbida en la superfície del gel.


37


38

Additius

Definicions prèvies:

Segons UE: Additiu: Productes afegits al formigó just abans de pastar o pastant per millorar alguna

propietat del formigó, incorporada amb un màxim del 5% en pes respecte el total de formigó.

Addició: Substàncies que es poden incorporar al formigó sense límit de quantitat. P ex: les cendres volants es poden incorporar fins a un 35%.

Segons USA: Chemical Admixture: Substància obtinguda d’una síntesi química. Mineral Admixture: Substàncies naturals o residus de la indústria que no són resultat

exprés d’una síntesi química (p.ex: cendres volants, putzolanes...)

Additius Acceleradors de Presa:

Augmenten la velocitat d’enduriment del formigó (redueixen el temps de presa). Principal Aplicació: Formigonar en temps fred per evitar els problemes de la gelada (l’aigua

de pastar gela i expandeix destruint els primers enllaços formats, sols si la pasta presa assoleix > 50 Kp/cm2 de resistència aguanta l’efecte de la gelada). [Si la gelada és abans de fer presa, es pot recuperar el formigó, però si és quan la presa ja ha començat és irrecuperable]

Altres Aplicacions: Accelerar el desmotlleig en la prefabricació, implicant un augment de la productivitat ja que amb em mateix nº de motlles es poden fer més peces.

Substàncies:

Principal: Cl2Ca Secundàris: Ca(HCOO)2 formiat càlcic i N(C2H4OH)3 trietanol amina. (molt cara)

Efectes Químics: Sals de Ca es forma un cloro aluminat i afavoreix la dissolució del C3S i C2S, lo que accelera la hidratació d’aquests i l’efecte sobre el C3A no és important. És a dir, facilita la dissolució de les espècies iòniques i accelera la reacció. [Mecanisme dubtós, sols explicacions parcials].

Efectes sobre les propietats del formigó fresc:

Redueixen el temps d’inici i final de la presa. Ex: Per un formigó de 300 Kg de ciment per m3 i clorur i formiat:

Efecte sobre les propietats del formigó endurit: Resistència a Compressió Rc 28 dies és més gran amb additiu (amb excepcions) l’efecte

s’accentua a baixa temperatura. Excepcions: Un excés de Cl2Ca redueix la Rc 28 dies (2-3 % ideal) No està clar l’efecte a llarg termini (no es veu descens relatiu de la Rcnd)

Durabilitat:

Despasiva les armadures (Cl-), sobretot quan queda una quantitat alta de Cl- lliure. Corrosió Prohibició en Armat i Precomprimit.

Gran resistència en front del gel-degel a edats joves, en canvi la resistència al gel-degel baixa una mica a llarg termini.

Augmenten tots la retracció. (Depèn del tipus de ciment) Augmenten tots la fluència. (A partir del 1’5 % de Cl2Ca)

Temps (h) Inici Final Sense additiu 3 ¼ 5 Cl2Ca (3’2 %) 1 1 ¾ Formiat càlcic (2 %) 2 ¼ 3 ¾


39

Additius Reductors d’Aigua:

Actuen com a tensoactius [com a “col·loides protectors]: fan que la partícula de ciment es disgregui (evitant la formació de grumolls), és a dir, que cada partícula s’individualitzi tot creant un repulsió entre les partícules carregant-les totes igual. Augmenten la fluïdesa del ciment. Tenen una poca durada, entre 2 i 3 h. Formes d’ús:

Reducció A/C, per una mateixa treballabilitat Augment de la treballabilitat, mateixa A/C Disminuir lleugerament C, A/C = ct, ja que podem disminuir la quantitat d’aigua.

Substàncies:

Lignosulfonats: rebaixen la tensió superficial. [És la que manté les partícules cohesionades]

Efectes dels Lignosulfonats : Retardador, l’addició de sucres augmenta la propietat, però el sucre en quantitats

elevades pot arribar a ser inhibidor de la presa. Per anular l’efecte retardador si afegeix Cl2 Ca o formiat. Es poden formular com

Acceleradors (3,3 % Cl2Ca + 4 % Lig. en aigua) Airejants, propietat que es pot augmentar amb sabons d’àcids greixosos

Es poden barrejar substàncies acceleradores amb de presa amb reductors d’aigua per tal de disminuir el temps de presa i augmentar la resistència, però s’ha de realitzar un estudi meticulós ja que poden produir bombolles en el formigó. [Les bombolles s’aconsegueixen de forma voluntària com passa amb els airejants]

Si es vol tenir la mateixa resistència i augmentar la treballabilitat s’ha de procedir a una addició, mai a un augment d’aigua.

Grup de Superfluidificants:

Sals d’Acids Sulfonics (SO3H) Naftalen (d’origen Japonès) - o - Formaldehid ( d’origen Alemany). Rebaixen la Tensió Superficial. Els d’Alt Pes Molecular no retenen Aire. No Retarden.

Sals d’Àcids Sulfonics Melamin – Formaldehid. Polímers de p. molecular fins a 30.000 Efectes Similars als anteriors.

Grup de Superfluidificants de 2a generació o Super - superfluidificants:

Aquest tipus d’additius fluidificants es basen en la repulsió elèctrica i el que es coneix com efecte estèric, augmentant considerablement la fluïdesa i el temps de l’acció de l’additiu.

Efecte Estèric: L’additiu, a més de proporcionar la capa elèctrica inclou unes molècules

orgàniques (cadenes polimèriques en forma de “pinta”) que permeten augmentar considerablement el temps d’acció de la repulsió elèctrica. Les cadenes polimèriques retarden el contacte entre les molècules de ciment allargant l’efecte fluidificant.


40

Efectes sobre les propietats del formigó fresc: En les pastes de ciment les partícules es posen en contacte formant “flocs” (grumolls) per

causa de les forces atractives de Van der Waals (sols importants a distàncies de 50 a 70 Å). L’addició dels fluidificants redueix l’atracció entre partícules de manera que les

individualitza i amb menys aigua tenim les mateixes propietats reològiques o bé amb la mateixa aigua tenen menys viscositat.

Obs: Reologia: Ciència de la deformació i del flux, que enllaça la mecànica de fluids amb l’elasticitat i estableix la correlació entre les variables esforços, deformacions, temperatura i temps de la matèria considerada com un medi continu.

Efecte Reductor: disminueix relació A/C

Amb un lignosulfonat amb dosi normal, 8 – 15 % Amb un superfluidificant fins un 30 % A/C menys

Efecte sobre el Con d’Abrams:

En els lignosulfonats es podria pujar de 5 a 15 amb dosificacions d’additiu molt altes, però tindríem un retard molt gran.

L’efecte dels superfluidificants és molt fort i es mesura amb la taula, un valor inicial de 75 mm pot passar a 600 mm amb un melamin sulfonat.

Pèrdua de Treballabilitat amb el Temps:

En la pràctica la pèrdua amb superfluidificant és molt ràpida per lo que no es pot afegir el superfluidificant a origen. El més freqüent és just abans de buidar el camió. També podem dividir en varies dosis. (Retempering)

Augment de l’Exudació per una Mateixa A/C.

Efecte sobre les propietats del formigó endurit:

Resistència a compressió: Segueix la llei d’Abrams depèn doncs de A/C. No hi ha increment de resistència per la

mateixa A/C que el formigó de referència. Mòdul de Deformació:

Mateix criteri que en cas de la resistència. Permeabilitat i Durabilitat:

Mateix criteri que en cas de la resistència.

En definitiva, tot depèn de la A/C del formigó considerat.

Additius Colorants:

Blau: S’aconsegueix a partir del cobalt.

Verd: S’aconsegueix a partir del crom.

Blancs: Ciment Pòrtland amb una composició o formula diferent Problema en formigons armats o pretensats. En recobriments fins es produeixen fissures que

fan que l’òxid surti a la superfície i faci taques que “embruten” el ciment.


41

Additius Airejants:

Es basen en la distribució de bombolles d’aire homogèniament al llarg del volum de formigó, i

totes de la mateixa mida, en general de Ø < 0,05mm. S’utilitzen per a:: Millorar la treballabilitat (actuen com a grans fins). Millorar la resistència a les gelades sistemàtiques [repetides gelades al llarg del temps],

actuant com a cambres d’expansió. S’evita així la fatiga causada per les retraccions i contraccions del formigó conseqüència dels cicles gel – desgel.

Característiques: Permeten utilitzar una a/c baixa gràcies a la millora en treballabilitat. L’aire natural retingut involuntàriament forma una xarxa continua de canals mentre que

les bombolles no. Millores la granulometria de l’àrid. Recomanables per a granulats lleugers, grossos i amb

poc fins. Es redueix la quantitat de fi, o filler, ja que les bombolles d’aire actuen en el seu lloc, fet

que implica una millora econòmica important. [Cal corregir la dosificació de fins] La retenció de l’aire pot reduir les resistències, ja que creem discontinuïtats en el formigó.

En països amb gelades constants és molt bo utilitzar additius airejants ja que augmenten

proporcionalment la durabilitat del formigó, però en països en els que no es produeixen gelades no és convenient utilitzar-los ja que fan disminuir les resistències.

Mètode d’incorporació d’additius airejants:

1. Addició de substàncies formadores de gas en la reacció amb el ciment: 6Al + 3Ca(OH)2 + 6H2O 3H2 + ... S’afegeix en dosis molt petites: 0,05~0,5 per mil en pes de ciment.

2. Addició d’agents que redueixen la tensió superficial: Resines de fusta i els seus sabons (polímers molt llargs:L el seu efecte és més fort que el

dels fluïdificants). Greixos i olis vegetals o animals. (P. Ex.: àcid oleic i els seus sabons). Detergents sintètics.

3. Dispersants: P. Ex.: lignosulfonat càlcic.

Efecte de l’aire en la treballabilitat:

Una mescla amb additiu airejant suposa passar d’un con de 1 cm a un con de 5 cm:

Efecte de l’aire en la resistència: Es produeix un descens de la resistència a causa dels porus d’aire. Els descensos de resistència poden compensar-se amb la disminució d’aigua en el pastat.

Interacció entre els additius airejants i els superfluïdificants:

Si es vol disminuir l’aigua per tenir una augment de resistencies important s’han d’utilitzar additius superfluïdificants.

Si hi ha gelades s’han d’utilitzar additius airejants.

La interacció entre ambdós additius fa que s’anul·lin els efectes d’un i altre. Tot i així, actualment hi ha productes específics que són barreja dels dos additius sense que els efectes es superposin.

A l’hora d’utilitzar additius airejants s’ha de tenir en compte la possible presencia de Carbó, ja que aquest té un fort efecte d’absorció d’aire, i de Cendres Volants, ja que porten a vegades carbó cremat en pols.


42

Mecanismes de Transport i Col·locació

Plantes: Pastadores (Ready – mixed):

El formigó es mescla amb l’aigua i es pasta. Una vegada pastat es carrega en un camió – formigonera que el transporta fins a l’obra. El camió té una formigonera d’eix inclinat rotatòria per evitar la segregació del formigó. Una mala suspensió del camió pot produir segregació a causa dels sotracs.

El ciment es mou pneumàticament (aire comprimit), el granulat per cintes. L’emmagatzematge normal d’una planta: 2000m3. Producció diària aprox.: 500m3.

Seques: En la planta només s’emmagatzema el ciment i els granulats la sorra i l’aigua, i es dosifiquen

al introduir-ho al camió. El pastat es realitza en el mateix camió – formigonera durant el transport.

És millor que l’aigua s’afegeixi en planta ja que el conductor acostuma a afegir aigua amb excés per mantenir la fluïdesa, pràctica molt desaconsellable.

De peu d’obra: En obres en les que el formigonat pot durar un període llarg de temps o on es necessiti una

gran quantitat de formigó, aquest es dosifica i es pasta a peu d’obra amb grans pastadores. Les preses són un exemple clar on s’utilitza aquest sistema.

Pastadores (formigoneres): Formigonera d’Eix Inclinat:

Per formigons de consistència Plàstica o Fluida. Descarrega per inversió de la rotació [en un sentit el formigó és enviat endins, en l’altre cap

enfora, depenent del sentit de les pales en espiral] Capacitat mitjana ~ 5m3. Les de grans dimensions poden tenir unes mides molt més grans.

Existeixen unes pastadores petites utilitzades en obra per afegits o per poques quantitats. Formigonera d’Eix Vertical:

Per formigons de qualsevol consistència, on s’aconsegueix una elevada homogeneïtat. Descarrega per la part inferior. Es considera com el millor mètode, ja que és el més precís, el que produeix menys segregació,

tot i això suposa una menor producció (~3m3.). Formigonera d’Eixos Paral·lels:

Per formigons de qualsevol consistència, fins i tot consistències molt seques. És un mètode ràpid i amb un gran producció (~185m3.).

Molt usat en preses i carreteres.

Camions: Camió – formigonera:

Sols agita per evitar la segregació. Camions – formigonera: Capacitats d’entre 2 a 9 m3. Mida més freqüent: 6 m3. La distància econòmica de transport són uns 8 km, tot i això es pot transportar fins 20 km.

Estructura: Cilindre rotatori on es manté el formigó sense segregar. Dipòsit d’aigua (~180L) amb mànega. Conducte de descàrrega (va plegat durant el trajecte).

Abocament:

S’intenta evitar la segregació: (Recomanacions de ACI i Murdock-Brook) La caiguda ha de ser < 0,6m, si és més elevada s’ha de dirigir evitant rebots.

El formigó té components de diferent pes específic, i en la caiguda lliure es poden separar. En els pilars és aconsellable anar omplint amb formigó cada 1~1,5m d’alçada.

S’ha de procurar dipositar en capes horitzontals i compactar abans de continuar. En armat 0'2 - 0'4 m. de gruix. En massa 0'4 - 0'6 m. de gruix

Treballar el més contínuament possible per evitar juntes de treball. Acompanyar la col·locació per omplir racons, armat, etc. Evitar la divisió de càrregues, és millor abocar tot un pastat en una sola tirada.


43

Temps de Mescla en el Formigó:

En el formigó:

A més grava mescla més ràpida fins homogeneïtat. A més fins mescla més lenta fins homogeneïtat. Formigó sec més temps de mescla fins homogeneïtat.

Temps de mescla mínim: 90 segons

Elements de Transport:

Camió, Carretó, Cuba (Grua, muntacàrregues), Dumper (Vehicle amb motor, permet distància), Blondin (Per presses, cable i bicicleta)...

Compactació: (acomodació de les partícules entre elles).

La compactació desapareixerà a la llarga a causa de l’evolució dels additius autocompactants. Tipus de compactació:

Picat i Piconat amb barra, sols per obres petites. Sempre amb consistència. Plàstica / Blana (que cedeix fàcilment a la pressió)

Vibrat amb Agulla. Sempre amb consistència Plàstica / Seca Plàstica. En els formigons armats la compactació amb agulla pot tocar l’armadura i fer que aquesta

vibri i, per tant, que expulsi el formigó circumdant perjudicant així l’adherència dels dos sistemes.

Vibrat amb Corrons. Sempre amb consistència Seca.

Vibració:

Va ser utilitzat per primera vegada per Freyssinet el 1917 a l'aeroport D'Orly (Paris). En vencen les forces cohesives del formigó fresc i el material es comporta com un fluid. Permet treballar amb A/C = baixa, tot i que avui en dia s’utilitzen additius.

Consistència Ús (amb vibració) Molt seca Prefabricats (combinació entre vibració i compressió) Seca Paviments i Prefabricats (combinació entre vibració i compressió) Plàstica Estructures (amb agulla) i Paviments Fluida Preses (amb agulla) i Blocs per Obra Marítima

Centrifugat:

Per Tubs o Peces rodones. S'elimina l'excés d'aigua, per tant A/C baixes. S'obté una superfície interna molt llisa. ( 1-3 mm. Molt rics en ciment) Gran qualitat i compactació.


44

Formigonat sota l’aigua:

Anti – Wash Out: additius per evitar el rentat del formigó. (col·locació directa)

Prepack: Injecció de formigó.

Col·locació prèvia del granulat gros (buits 30- 35%). Omplir amb ciment + cendra + sorra fina (morter ja fet)

amb tubs d’injecció. [La fluïdesa del formigó és molt important i sovint s’afegeixen additius dispersants]

Formigó Bombat:

Es pot arribar a distàncies de 100m verticals i 350m horitzontals. Avui en dia els dos sistemes utilitzats principalment són:

Succió amb Bomba de Pistó de 2 cossos, vàlvules sincronitzades. (1) Formigons de gran fluïdesa i amb granulats no molt grans.

Tub elàstic amb un Mecanisme Giratori que Comprimeix. (2) Límits establerts:

Granulometria contínua ( φ màx. < 1/3 dtub) 20% de partícules < 0'32 mm. 5% de partícules < 0'16 mm. 300 Kg/m3 de ciment

Actualment existeixen camions – bomba, amb una eficàcia menor a les grans bombes, però que salven certes situacions sense la necessitat de muntar un bomba. (Molt utilitzats a Alemanya)

Formigó Projectat: [Strayed Concrete]

Va ser ideat per Carl Akeley, un naturalista que volia construir models d'animals en gran. Va començar amb un "spray" de guix i aire comprimit sobre els motlles. El pas a ciment va ser l'any 1911, i es va patentar com “Cement Gun” i el material com “Gunite”. Definició: "morter o formigó disparat pneumàticament a alta velocitat contra una superfície" φ màx = 10 mm.

Tipus:

Procés en Sec: El ciment, l’àrid i la sorra són disparats amb aire comprimit i l’aigua s’injecta en el

broquet del tub. φ màx. Fins 20 mm A/C baixa. Gruixos prims fck= 50 N/mm2.

Procés Humit: (sistema més utilitzat) El formigó ja fet es dispara amb aire comprimit injectat en el broquet del tub, aconseguint

una dispersió menor. S'usen plastificants i per això A/C∼0'4, alts C fck = 35 ~ 55 N/mm2. Es poden incorporar acceleradors i microsílice. Gruix per sobre 20 cm.

Ús: Túnels, talussos.

En els túnels s’utilitza el “Mètode Austríac”: Es recobreix la zona perforada disparant el formigó contra la paret i es posen una sèrie d’ancoratges que afavoreixen que no hi hagi excessives compressions.

1

2


45


46

Durabilitat – Mecanismes de Transport

Vida Útil: Capacitat del formigó de mantenir-se en servei durant un temps per al qual l’estructura de la que

forma part ha estat projectada. Durabilitat:

Capacitat del formigó de durar al llarg del pas del Temps. Vida Útil (temps) Durabilitat.

Avui en dia la durabilitat està limitada: Per causes relacionades amb el medi (gelades, atac per sulfats, ...). Per causes internes del formigó.

En el Formigó Armat les causes són: Degradació del formigó. Pèrdua de la capacitat de protecció, fet que implica corrosió i expansió del formigó.

A l’hora de fer el projecte d’una obra s’ha de tenir en compte el manteniment d’aquest una vegada construït, per assegurar una mínima durabilitat. En l’actualitat el concepte de durabilitat cada vegada té més pes ja que com més durabilitat tinguin

les construccions, menys impacte mediambiental es crea.

Processos de Degradació: Tots tenen lloc amb la intervenció de l’aigua. L’aigua és el medi de transport dels agressors i el

medi on es desenvolupen les reaccions. En la degradació cal considerar:

Mecanismes de Transport del Formigó. El medi Porós en el Formigó.

Problemes en l’estudi del formigó: Dificultat per quantificar els efectes sobre aquest. Modelització molt limitada, hi ha moltes variables i un desconeixement significatiu de la

cinètica dels processos que ens desenvolupen en el formigó.

Porus en el Formigó: El coneixement del grau de continuïtat dels Porus en el formigó és molt important:

“La Interconnexió implica Permeabilitat”.

El moviment d’un fluid en el formigó depèn del seu grau de saturació [Les reaccions es desenvolupen amb un 50~80% d’humitat. La velocitat dels gasos disminueix si hi ha líquid, però sense aigua no hi ha reacció]:

1. Humitat molt baixa, la humitat està present com a vapor d’aigua que és adsorbit per les superfícies seques de la pasta a causa de les càrregues elèctriques d’aquesta.

2. En el moment que l’adsorció és completa el moviment del vapor té lloc per gradient de pressions o de concentracions.

3. Quan la humitat es suficientment alta el vapor en condensa per la part més estreta del porus, fet que escurça el camí de la transferència del vapor i augmenta a velocitat del moviment de partícules.

4. Les zones amb aigua condensada es van estenent i augmenta el moviment de les partícules.

5. Comença la transferència de líquid en un estat de saturació incompleta. 6. S’instal·la la transferència de líquid en un estat de saturació completa


47

Moviment d’un Fluid sota Gradient de Pressions:

Es compleix la condició de flux laminar, velocitats petites i canals estrets.

Llei de Darcy:

En un líquid com l’aigua (incompressible), el gradient de pressions travessant una secció

de formigó lineal es pot descriure una variant de la llei de Darcy

Assaig de determinació de K:

Treball Experimental de Powers: Als anys 50’ Powers realitza un estudi amb formigons de 50 anys d’antiguitat. Powers arriba a les següents conclusions:

La reducció de la permeabilitat és molt ràpida en les primeres edats (2~3 setmanes). Concretament disminueix substancialment en els primers i fins arribar a estabilitzar-se als 30 dies amb valors de K ~ 10-12.

Existeix una correlació no lineal entre la Permeabilitat i la Porositat: El creixement del Coef. de Permeabilitat comença a créixer amb una porositat aparent

del 10%, augmentant considerablement, amb una forma similar a la quadràtica, als volts del 30% en amunt. [10% Por. aparent K~10-13; 40% Por. aparent K~10-12].

Existeix una correlació no lineal entre la Permeabilitat i la Relació A/C: El creixement del Coef. de Permeabilitat comença a créixer amb una relació A/C del 0,3

i augmenta considerablement a partir de A/C = 0,5, creixent exponencial. [A/C = 0,3 K~ 0; A/C = 0,5 K~ 2·10-13; A/C = 0,7 K~ 10-12]

Segons estudis posteriors s’ha descobert que amb relacions A/C ~ 0,7 o més grans és impossible assolir la impermeabilitat.

Existeix una correlació no lineal entre la Permeabilitat i les Resistències: En general una resistència alta va associada a una permeabilitat baixa, però la relació no

és lineal.

Sovint es compleix: Permeabilitat del Formigó > Permeabilitat del Granulat Permeabilitat del Formigó > Permeabilitat de la Pasta

Això s'explica per les discontinuïtats, fissures i defectes de la zona de transició i la seva porositat més alta que en l resta de la pasta.

La retracció tèrmica i la retracció per assecament i les càrregues prematures excessives són les

causes de microfissuració més importants i per tant de creixement de la permeabilitat. Cal Garantir C i A/C correctes.

xhU X ∂∂

Κ−=

UX: Velocitat mitjana del moviment en direcció X. K = cte. Coeficient de Permeabilitat (m/s), K depèn de l’estructura de porus en el formigó (porositat del medi) i de les propietats del fluid. (δh/δx): Velocitat de creixement de la pressió en direcció X.

lPKQ ∆

−=Α∆

∆∆Q = Relació volumètrica de flux. ∆A = Secció ∆P = Gradient de pressions l = Longitud de moviment K = Coeficient de permeabilitat en (mm/s)

Entrada

Sortida

Impermeabilitzant

Proveta de Formigó

Pressió 1

Pressió 2

P1 > P2 Flux del líquid


48

Difusió:

El moviment de ions, àtoms i molècules per causa dels gradients de concentració bé governat per la Llei de Fick:

Les relacions A/C altes porten Difusions més grans. Evitarem la difusió amb A/C baixes. Les addicions fan baixar considerablement la difusió. [Bomforth, 90’]

(*): % de Substitució de Ciment per Cendra Volant: “Coeficient K”: Relació Clinker (o Ciment) – Cendra Volant en les addicions.

K = 1 1 g de Ciment ≡ 1 g de Cendra K = 0,4 (normal) 0,4 g de Ciment ≡ 1g de Cendra [1g Ciment ≡ 2,5g de Cendra]

Sorció: Adsorció i absorció: La Sorció és l’Adsorció i l’Absorció d'un líquid amb porus buits, a mig buits per atracció

capil·lar. Dóna una idea molt clara de la durabilitat del formigó. Sorció Alta Formigó Permeable. Sorció Baixa Formigó força Impermeable.

Experimentalment s'ha demostrat que la profunditat de penetració X és:

Les addicions en el formigó disminueixen considerablement la distància de penetració. En aquest aspecte és millor utilitzar cendres volants.

El curat també és decisiu en el grau de penetració. Si mantenim en condicions idònies d’humitat ciments amb diferents relacions A/C es pot observar que a partir de 7~8 dies el grau de penetració s’estabilitza considerablement.

També cal considerar que com més gran sigui A/C més penetració hi haurà ja que la porositat serà més gran.

Ciment Constant de difusivitat 100% de Ciment Pòrtland 1,75 · 10-12

70% de Ciment Pòrtland + 30% Cendres Volants (*) 0,41 · 10-12 50% de Ciment Pòrtland + 50% Escòries d’Alt Forn 0,15 · 10-12 92% de Ciment Pòrtland + 08% Silica Fume 0.32 · 10-12

T: Velocitat de transferència d'una substància a través d'una secció unitària en direcció X. D = cte. Constant de difusivitat (m2/s). D És una constant efectiva, doncs no tenim en compte que tenim un sòlid porós. Igualment que K, D depèn de l’estructura de porus i les propietats de la substància difosa. (δh/δx): Gradient de concentracions.

XCDT

∂∂

−=

tSX = X: Penetració en direcció X. S = cte. Constant de Sorció (m/s1/2), S depèn de les addicions i del curat (humitat). t = Temps


49


50

Carbonatació

Carbonatació:

El CO2 en l’aire el trobem en una proporció d’un 0,03% en volum.

Concepte: El CO2 es dissol en aigua i aquesta reacciona amb la Ca(OH)2 dissolta en el líquid dels

porus. CO2 + Ca(OH)2 (H2O + bases alcalines) CaCO3 + H2O (Ca(OH)2 és la Portlandita) L’accés del CO2 dissolt en el líquid dels porus, implica la formació de CO3Ca

La reacció es efectiva quant les molècules d’aigua entapissen les superfícies dels porus sense obstruir el camí de l’aire. La carbonatació fa baixar el pH de la solució intersticial (de 13~12 a 8) i desestabilitza la capa

passivadora. [Per sota de 8 s’activa la pila de corrosió]. La carbonatació és procés de Difusió. [Veure apartat de Durabilitat – Mecanismes de transport]

X = K · t1/2 [on K = cte. de difusió; X = profunditat; t = temps] La K depèn del grau de saturació del formigó i de l’estructura de los porus del formigó.

En sec no hi ha carbonatació. En saturació la difusió es molt lenta. 50-70 % d’humitat és la pitjor situació.

Inconvenient: La carbonatació dels compostos hidrats del ciment per CO2 redueix el pH de la solució intersticial a un valor tal que la capa d’òxids, que es forma en medi àlcali i que protegeix l’acer, perd la seva estabilitat. Una vegada destruïda la pel·lícula, la corrosió pot desenvolupar-se en medi àcid i humit.

Passivació dels òxids protectors Fe3O4 – Fe2O3

Mecanisme de carbonatació: CO2 + Ca(OH)2 (H2O + bases alcalines) CaCO3 + H2O La carbonatació depèn de les pròpies bases alcalines. Les pròpies bases alcalines es carbonaten

ràpidament i fa augmentar la solubilitat de la Portlandita, que és la que abans es carbonata. Aquesta té una solubilitat de 1,2g/l (a 25ºC).

CO2 (dissolt en aigua) + 2KOH / 2NaOH K2CO3 / Na2CO3 + H2O Obs: el KOH i el NaOH surten de:

Ca(OH)2 + K2SO4 / Na2SO4 CaSO4 + 2KOH / 2NaOH Sulfats alcalins Guix Bases alcalines

Les bases alcalines són quasi 100% solubles en aigua. Bases alcalines + Portlandita Augmenta la [OH-] Augmenta el pH.

Addicions Actives: Addicions que fan rebaixar el pH de la solució. Les addicions que rebaixen de més significativament el pH són: (de més descens de pH a menys)

Microsílice > Escòries d’alt forn > Cendres volants. Microsílice: Una addició corresponent a un 10% de Microsílice rebaixa el pH a 13,5; una

addició del 20% fins pH ~ 13,8; una addició del 30% fins un pH ~ 12. [Valors a 90 dies] Escòries d’alt forn: Un 80% de ciment Pòrtland i un 20% d’escòries d’alt forn poden fer

baixar el pH de 14 a 13,1. Cendres volants: Esferes de vidre de Calci, Sílice i Alúmina (més calci que sílice). En medi

aquós té tendència a formar C-S-H (Reacció Putzolànica). Les cendres presenten un problema ja que aporten un cert nombre d’alcalins (% petit) que contribueixen a l’alcalinitat del medi, fet que implica que la rebaixa de pH és menor a causa de l’aportació dels àlcalis. Tot i això les cendres tenen un comportament similar al formigó i actuen com a bon additiu.

Obs: Als anys 80’ el cost del negoci era en major part del transport. El formigoners posava molta cendra i poc ciment, fet que va causar un fort ressentiment de les cimenteres. Aquestes van començar un atac contra la cendra dient que no era apropiada on l’argument principal era la carbonatació (argument falç). El problema va acabar quan les cimenteres van comprar tota la cendra i la van començar a posar en el seu producte de fabricació.


51

Profunditat de Carbonatació: Investigacions en formigons vells mostren que l’espessor carbonatada és una funció exponencial

del temps. També la resistència a la compressió sembla ser un indicador fidel de la susceptibilitat del formigó a la carbonatació. Existeixen moltes equacions diferencials deduïdes partir d’estudis de formigons vells i nous.

A títol d’exemple es pot citar l’equació proposta per Baron et Olivier:

Determinació de la Profunditat de la Carbonatació: Anàlisi Colorímetre amb Fenolftaleina. Es talla una proveta que ha estat exposada a la

carbonatació transversalment i, sense deixar passar temps (amb la mostra “fresca”), es pinta amb fenolftaleina (solució alcohòlica a l’1% i s’observa el canvi de color.

[La fenolftaleina és un indicador de viratge de reaccions àcid – àlcali. Aquesta varia d’incolora (pH < 8,2) a rosa (pH > 12)].

Microscopia de làmines primes: Primer “sobre en secció” la proveta de formigó. Després es fa el buit per treure tot l’aire i

tota l’aigua i tot seguit s’injecten resines (epoxy) amb colorant fluorescent i es fa la preparació pel microscopi tallant a làmines (pulint a 20 µm mot fines la mostra. Finalment s’observen el microscopi petrogràfic els canvis en l’estructura dels cristalls causades per la carbonatació.

Productes de la Carbonatació: CaCO3 en forma de Vaterita, Aragonit o Calcita. (segons el pas del temps):

El CaCO3 pot cristal·litzar-se en formes alotròpiques difernts, calcitaromboèdrica(d=2.71 kg/dm3), aragonit-ortorròmbic i vaterita. Alguns autors afirmen que en el formigó el CaCO3 cristal·litzat de nou apareix primer com a cristalls de vaterita. Amb el temps les transformacions alotròpiques van determinana les transformació de vaterita en aragonit i finalment en calcita. La informació del tipus e cristall present en un formigó carbonatat ens facilita diagnosticar l’antiguitat de la carbonatació. (Es determina per difracció de raig X).

Propietats de la capa carbonatada: Retracció.

[La retracció causada per la carbonatació s’afegeix a la deguda per la pèrdua d’aigua i és rellevant a llarg termini].

Modificacions en l’estructura dels porus. Ciment Pòrtland: Augmenta la resistència global del ciment.

La carbonatació modifica la distribució i la mida dels porus. En general redueix la porositat mitjana del ciment hidratat. Aquesta disminució de porositat millora la resistència de la capa carbonatada.

Ciments amb escòries: Augmenta la facilitat de penetració del CO2. En els ciments amb escòries, les modificacions de la porosimetria de la capa carbonatada

es tradueix en un augment dels porus capil·lars a costa de la reducció dels porus petits. Això determina un augment de la permeabilitat de la cap carbonatada dels formigons fets amb aquest tipus de ciment a més a més de la reducció de la resistència de la mateixa.

e = (365t [ (1/2.1)·(fc 28d)½ – 0,6 ] )½ e = Profunditat carbonatada (cm) t = Temps d’exposició (anys) fc 28d = Resistència a compressió a 28 dies (MPa)

1 2 31.- Zona Carbonatada (incolora) 2.- Zona de Transició (pas d’incolor a rosa) 3.- Zona No Carbonatada (rosa)


52

Influencies sobre la velocitat de carbonatació: Humitat: [Es consideren valors d’humitat per sobre el 40%, ja que per sota quasi no hi ha

carbonatació]. Amb una A/C = 0,8 la penetració de la carbonatació assoleix un màxim amb una humitat del

60~70% , on la carbonatació penetra uns 30mm. Per sota el 60% i per sobre el 70% d’humitat la penetració de la carbonatació disminueix.

Humitat 60~70% Hi ha suficient aigua per la reacció i aire pel transport del CO2. (La velocitat de difusió del CO2 per l’aire és unes 10.000 vegades més ràpida que per l’aigua)

Amb una A/C = 0,8 la penetració de la carbonatació va disminuint en funció de l’augment de la humitat.

Relació A/C: La penetració de la carbonatació augmenta com més gran sigui A/C. Considerant valors a 15 anys i una humitat aprox. del 80~90%: A/C = 0,80 Penetració de

10mm; A/C = 0,60 Penetració de 08mm; A/C = 0,45 Penetració de 03mm. Quantitat de ciment: La penetració de la carbonatació augmenta com més baixa sigui la

quantitat de ciment. Considerant valors a 5 anys: 200kg/m3 Penetració de 29mm; 300kg/m3 Penetració de

25mm; 350kg/m3 Penetració de 10mm; 500kg/m3 Penetració de 08mm. S’observa que hi ah un salt significatiu entre els 300kg/m3 i els 350kg/m3.


53


54

Mecanismes de Degradació

Agents agressius:

Gasos: d’origen natural i resultants de pol·lucions atmosfèriques (CO2/SO2 -SO3 /NOx/H2S etc..). Líquids inorgànics: actuen pel seu caràcter àcid o bàsic i pels ions agressius que pugui contenir. Sòlids: sols i residus. Medis biològics: bactèries, fangs àcids.

Modes d’acció dels agents agressius:

Gasos: per difusió i sempre amb aigua. La difusió es negligible quan el formigó està saturat i augmenta quan baixa la humitat relativa. La agressió sempre depèn de la solubilitat del gas en aigua.

Líquids: moviment del líquid per capilaritat i difusió iònica o molecular Sòlids: depèn de la solubilitat en aigua Medis biològics: producció d’àcids sulfhídric i sulfúric. Agressió liquida àcida.

Patologies de les sals solubles:

Atac per aigua Pura: Hidròlisis i Lixiviació:

L’atac sols pot existir de forma significativa si el formigó te una a/c alta. L’agressivitat de l’aigua pura (natural) depèn de:

pH [entre 5,5 i 6,5]. Σ concentracions de Ca2+ i Mg2+. Contingut de CO2 dissolt en l’aigua [15~30 mg/l].

El pH es àcid si l’aigua conté CO2 , àcids minerals i sals d’àcid fort i base dèbil. El pH es bàsic si l’aigua conté HCO3

-, CO32-, OH-, ...

Per efecte del ió comú el Ca2+ no serà lixiviat de la pasta si l’aigua conté molt Ca2+.

CO2 Total = CO2 Lliure + CO2 Lligat: CO2 Lliure: Agressiu. CO2 Lligat: Com carbonat i bicarbonat

El d’equilibri és el necessari per mantenir els bicarbonats en solució.

H2O + CO2 + CO3Ca (HCO3) 2 Ca L’agressiu es l’excés de CO2 sobre la quantitat necessària per complir l’equilibri

anterior.

Si [CO2 ] lliure < [CO2 ] equilibri No hi ha corrosió i precipita carbonat. Si [CO2 ] lliure > [CO2 ] equilibri El carbonat es dissol i l’aigua es corrosiva.

Reaccions de Hidròlisis i Lixiviació de components de la pasta de ciment

Reaccions d’Intercanvi Iònic entre el líquid agressiu i la pasta de ciment

Reaccions de Formació de Productes Expansius

Desplaçament de Ca2+ en productes solubles

Desplaçament de Ca2+ en productes insolubles i no expansius

Augment de la porositat i permeabilitat

Substitució del Ca2+ del CSH [si l’intercanvi ha estat molt gran]


55

En un formigó de 26 MPa als 28 dies, la dissolució de Ca (OH)2 al cap d’un any per acció d’aquesta aigua és: En 0-3 mm ha desaparegut el 58% del Ca (OH)2 En 3-6 mm ha desaparegut el 15% del Ca (OH)2 En 6-9 mm ha desaparegut el 13% del Ca (OH)2

Està desapareixen el tampó Ca (OH)2 Ca2+ + 2 OH- que regula la composició del líquid i a la

vegada i com a conseqüència comença a dissoldre Ca2+ del CSH i l’atac si entra en aquesta fase pot ser greu. El tipus de ciment:

Resisteixen millor els que deixen poc Ca (OH)2, per tant

[Pèrdua de massa / Temps], (CPA = Ciment Pòrtland; CHF = Ciment amb escòries d’alt forn; i Ciment aluminós)

Quan el contingut de CO2 de l’aigua amb poques sals (aigües blanes) es superior a 100 mg/l (aigües minerals postvolcàniques etc.) l’atac es desenvolupa de la següent manera:

L’aigua passa pel formigó i es satura de calç i bicarbonat per dissolució de la portlandita. Ca (HCO3)2 + Ca (OH)2 2 Ca CO3 + 2 H2O (1)

Els bicarbonats són solubles i l’aigua els transporta fins altres blocs del formigó al entrar en contacte amb l’hidròxid càlcic mou forma carbonat segons la reacció (1) que precipita i densifica la zona, però aquest carbonat es pot re-dissoldre segons

CaCO3 + CO2 + H2O Ca (HCO3)2 que torna a moure’s, Apareixen taques superficials de carbonat i augmenta globalment la porositat interior.

Hidròlisi àcida: Intercanvi Iònic (catiònic):

SAL + Ca(OH)2 Ca 2+ + hidròxid

Exemples: Cl2 Mg + Ca (OH)2 Cl2 Ca + Mg (OH)2 ( menys soluble) Cl Na + Ca (OH)2 Cl2 Ca + Na OH (molt soluble) Cl NH4 + Ca (OH)2 Cl2 Ca + NH4 OH (on NH4 OH NH3 + H2 O [volàtil] ) Les reaccions es poden desenvolupar en zones properes al mar o la costa. En el cas del

Cl NH4 el podem trobar en terrenys agrícoles,

Perill greu quan baixa molt el contingut de Ca (OH)2 i comença la substitució del Ca2+ del CSH per Mg2+ doncs el MSH no te propietats lligants, cohesionants.

Les pluges àcides:

La pluja “neta” pH –5,6 a 7 i no te efecte sobre el formigó. La pluja àcida pH-4 es provocada per els SOx procedents de la combustió de carbons, fuel etc.

doncs: SO2 (O2) SO3 i després SO3 + H2O H2 SO4 L’àcid sulfúric és molt higroscòpic i condensa parcialment, fet que provoca en les gotetes

de condensació: NOx + H2O H NO3


56

Formació de Compostos Expansius: En el procés normal de presa el guix SO4 Ca · 2 H2O de la pasta reacciona amb el C3 A i dóna

C3 A· 3 SO4 Ca · (H2 O)30-32 Ettringita Primària El guix es el regulador de presa i ho es justament per aquesta reacció. Aquesta ettringita primària forma cristalls prismàtics ben formats.

La formació l’ettringita primària és expansiva, però es desenvolupa en les primeres edats i no afecta l’estructura. És una reacció no patològica ja que el ciment no ha endurit.

Reacció patològica:

Sulfats solubles transportats per líquid dels pors i un catió reaccionen primerament amb el Ca (OH)2 i formen “guix secundari”:

SO4 = (Mg2+, Na+, NH4+ ...) + Ca (OH)2 SO4 Ca · 2H2O + hidròxid corresponent

L’hidròxid corresponent pot quedar en solució o precipitar segons les concentracions). A continuació apareixen reaccions puntuals de ions SO4

2- amb restes de C3 A que quedin o bé també amb els aluminats hidratats presents:

C4 A Hx o C3A· SO4 Ca· H12 Formació d’Ettringita Secundària: C3 A · 3 SO4 Ca · (H2O) 30-32

Reacció expansiva en un medi que ja té una certa duresa de per si, fet que implica tensions i possible fissuració de l’estructura.

Precipita en petits cristalls mal formats que fàcilment retenen encara més aigües per adsorció, sobretot si el Ca (OH)2 està present en quantitat.

Si l’ettringita secundària procedeix de la reacció amb C3A té un volum molar 3 vegades més gran, però si procedeix dels aluminats hidratats es 8 vegades més gran.

Es produeix fissuració per pressió de cristal·lització i els SO42-

que queden penetren per les fissures i estenen l’atac. L’atac segueix un front de degradació de gruix creixent. En el cas del SO4 Mg l’atac encara es més greu, doncs:

Primer Ca (OH)2 + Mg SO4 Ca SO4 · H2 O + Mg (OH)2 Després Ca SO4 · H2O + C3A C3A · 3 SO4 Ca · (H2O) 30-32 Finalment CSH + Mg SO4 Ca SO4 · 2H2O + MSH [no lligant]

Aspecte Físic de la Reacció:

1res Fases: No es veu res en concret, com a molt es pot arribar a una sospita segons el terreny. L’ettringita es comença a dipositar en el porus omplint els espais buits.

2nes Fases: Comencen les pressions i les fissuracions L’ettringita ja ha ocupat els porus i necessita crea pressions en la seva formació a causa de

la reacció expansiva. En aquest casos no n’hi ha pou en establir la presència o no d’ettringita (per difracció

de raig X) j que s’ha d’establir una determinació microscòpica per saber com és la distribució de l’ettringita formada, veure si ha guix que es pugui convertir en ettringita o si ja ha començat la fissuració.

Protecció contra l’atac:

Ciments amb menys C3A i sobretot amb relacions C3 A / SO3 < 3 (Paillére 1985). Addicions de escòria, cendres volants, putzolanes naturals i micosílice (silica fume) baixen el

Ca (OH)2 i el C3A i els porus tenen un radi mig inferior.

Formació d’ettingita diferida: En els formigons prefabricats el curat es realitza en un túnel (“curat túnel”) amb vapor entre

60~80ºC. L’ettringita no és estable per sobre els 60~70ºC per la qual cosa per sobre aquesta temperatura

no es forma. Tot i això quan el formigó es refreda l’ettringita es comença a formar però a una velocitat força lenta, fet que provoca fissuracions a llarg termini (3~4 mesos) amb el que es consideraria ettringita primària ja que la reacció expansiva té lloc quan el medi j és rígid.

Aquest fet ha portat molts problemes als USA, sobretot a Califòrnia.

També existeix la reacció per Taumacita: Es desenvolupa en fred [ Tº < 5ºC, als voltants 0ºC]. És una reacció molt complexa en si i amb una cinètica complicada.


57


58

Reacció Àlcali – Àrid

Reacció Àlcali – Àrid: Terme general que abasta totes les reaccions entre el àlcalis (Na +, K+) del ciment y els àrids.

També poden ser aportats per altres medis, com l’aigua. Quan la naturalesa del àrid es silícea es parla de reacció: Alcalí – Sílice (ASR). [“Alcali silica

reacciton”]

Tipus de reaccions: ASR:

Alcalins + Varietats minerals de la sílice (Calcedònia, Òpal, Cristobalita, Tridimita o Vidres volcànics)

A – Silicat – R: Alcalins + Formes Desordenades de Sílice i Quars (En roques sedimentaries i metamòrfiques)

A – Carbonat – R: Àlcali → Calcaria Dolomitica Argilosa (o dolomies per si soles [Carbonat de calci i magnesi])

Danys:

Formació de un gel dins de l’àrid o en els seus límits que absorbeix líquid dels porus del formigó, s’infla, s’expandeix, i crea pressió interna i fissuració.

Condicions necessàries que s’han de complir simultàniament: Humitat suficient, mínim > 85 % d’humitat en els porus. Alcalinitat suficient en el líquid dels porus. Mineral reactiu.

Les reaccions:

Els àlcalis solen estar en el ciment com Na2SO4 , K2SO4 , K2Ca2(SO4)3 però també poden venir de àrids mal rentats (aigua de mar) o sals de desgel. Alguns àrids poden ser ells mateixos la font d’àlcalis.

Els àlcalis sulfats del ciment Ettringita + Na + i K+ [Es formen en medi no sòlids] Els clorurs formen Cloroaluminats + Na + i K+

La velocitat d’ atac sobre la sílice dependrà de la forma en que es trobi ella i a concentració de Na + iK+ en la solució iònica.

Els mecanismes s’han obtingut posant una sílice mal cristal·litzada en Na OH (Glasser i

Kataoka 1981). 1a Fase: En la sílice mal cristal·litzada existeixen “grups silanol” (Si –OH), tants més

com pitjor és la cristal·lització: Si –OH (àcid) + NaOH (base) NaSiO (Gel)+ H2O El tetràedre de silici canvia un dels seus oxigens per un hidrògen.

2a Fase: Atac dels pont siloxá: Si – O – Si + 2Na+OH- 2Si O-+ 2 Na+ El 2Na+OH - pot provocar un gel alcalí, no expansiu, o una dissolució en forma de

silicat alcalí. El gel format, si hi ha Ca (OH)2 present, es converteix en expansiu per captació

d’aigua. Això significa que si utilitzem puzolanes o cendres volants que fixen el Ca (OH )2, sols es formen gels no expansius.

Les forces expansives son 6-7 MPa. No actuen uniformement i la fissuració pot ser molt

diversa. Les exudacions no sempre estan presents, cal suficient humitat per facilitar el transport

fins la superfície. El gel es transparent i passa a blanc per carbonatació.


59

Observació microscòpica del gel: El gel té una composició variable en SiO2, Na, K, Ca i alguns elements minoritaris.

A l’hora de fer la valoració de components amb el microscopi electrònic hi ha la possibilitat de confondre el gel amb CaCO3 ja que el Carbonat no es pot detectar..

En general, la superfície dels formigons que pateixen aquesta reacció presenta gran quantitat

d’àlcalis, per causa de lixiviació i assecament.

La reacció sempre comença en el interior del formigó i els 50- 70 mm superficials no seran reactius fins a les fases terminals. L’expansió interior, provocada per inflament del gel, crea tensions en la zona exterior que presenta fissures aïllades.

Quan la reacció progressa apareix fissuració interior i augmenta també en la superfície. La posició de les fissures depèn de la forma de l’àrid ,l’armat etc. La capa exterior presenta “pop outs” (explosions) i surt gel. Es veuen àrids afectats.

Si a més tenim gelada es presenta destrucció total. La fissuració interna s’orienta per la forma de l’àrid i les seves fissures, disposició etc. ..

Efecte sobre les Propietats Mecàniques:

En fases terminals fc disminueix al 50 %. En fases prèvies baixa el mòdul, fins i tot en el

cas que augmenti fc. Les deformacions per fluència x 2,5. Un armat tridimensional redueix fortament els

efectes. La propagació d’ones no es gaire útil per

determinar l’estat de fissuració del formigó.

Prevencions en projecte: No utilitzar Àrids reactius. Si tenim Àrids Sospitosos Solament:

Utilitzar Ciment amb Cendres volants. Assaigs en laboratori en medi Na OH. Avaluar molt be les condicions del medi i la seva variació (sec – humit , gel – degel etc.).

Cas Àlcali – Carbonat:

Essencialment es produeix en l’interior del formigó amb ciments alts en contingut de Na i K amb calcàries dolomítiques que continguin argiles i/o sílice.

Els cristalls dolomítics CaMg(CO3)2 d’uns 50 µ estan en un llit de “calcite fins” que a la vegada conté de manera dispersa argila i quars. Les argiles solen ser illites i alguna clorita i la sílice es desordenada i reactiva. El contingut de residu insoluble en OH ha de ser > 5%.

El líquid àlcali (pH ~ 13) del formigó provoca la desdolomitització: CaMg(CO3)2+ 2OH - Mg(OH)2 + CaCO3 + CO3

2- CO3

2- + Ca(OH)2 CO3Ca + 2OH- Tang (1992) considera que aquestes reaccions son expansives pel seu caràcter localitzat.

Els Na i K del ciment amb la sílice poden provocar una àlcali – sílice. L’argila pot inflar localment.

Estructures on es presenta la reacció:

Principalment es pot veure en preses ja que s’aprofiten àrids de la zona que poden estar en mal estat i a més el formigó està en contacte constant amb l’aigua. Present als Pirineus i Galícia.

També es pot trobar en construcció, tot i que no és freqüent. (Cas d’un pont de l’AP-7).

EVOLUCIÓ DE E AMB EL TEMPS

05

1015

2025

3035

0 10 20 30 40 50 60 70

Temps (setmanes)

E (M

Pax1

000)


60

Formigons de Ciment Aluminós.

Ciment Aluminós: Neix a començaments del S.XX com a ciment resistent als sulfats i resistent a l’aigua de mar.

Inicialment el problema de l’atac per sulfats es va solucionar amb un ciment de 30% Pòrtland i un 70% Escòries d’alt forn.

Aleshores es crea el ciment aluminós (científic de l’empresa Lafarge). Tenia: Desenvolupament ràpid de resistència, fins i tot en temps fred. Comportament refractari a alta temperatura. Resistència a varies agressions químiques.

Composició: [Components principals]

Calcita- Bauxita (òxid d’alumini) [el nom ve del dipòsit de Baux, a prop de la desembocadura del Roine, on es va trobar el mineral]

Aluminat Monocálcic CA 40-50%. Ferreita C4AF 10-40%. Belita B-C2S <10%.

Hidratació: Varia molt amb la temperatura donant productes amb cristal·linitat molt diferent.

A baixes i moderades temperatures: CA + 10H CAH10 (fins a 15ºC) i 2CA + 11H C2AH8 + AH3 (a més Tº C)

Per sobre de 60º C: 3CA + 12H C3AH6 + 2AH3

El CAH10 i el C2AH8 són metaestables, mentre que el C3AH6 té una cinètica lenta que depèn de la temperatura.

Aquesta transformació o conversió és a llarg termini (7~8 anys) i té lloc amb pèrdua d’aigua i augment de la porositat.

L’augment de porositat depèn finalment de A/C , si A/C > 0,40 les pèrdues de resistència per augment de porositat poden ser molt grans.

Tot acaba convertint-se en C3AH6.

Evolució de la resistència a 20ºC en un formigó: Al principi és molt alta: 60~70 MPa.

Predicció de la resistència mínima:

Curar 5 dies a 38ºC (George 1990).

Ciment constant = 400 Kg/m3

Aquests mínims s’arriben en períodes de 10 a 20 anys.

La quantitat mínima de ciment = 400 Kg/m3 és pragmàtica per controlar que la A/C es pugui mantenir en límits acceptables.

Anys 50’ ↑ Immigració les cimenteres no donaven a l’abast. S’utilitzava ciment Aluminós com a ciment Pòrtland i a vegades es barrejaven. No es van respectar les condicions de resistències de l’aluminós i això va causar accidents als anys 90’. [Escola Lesseps, Turó de la Peira, ... ]

La durabilitat en front de la carbonatació pot ser problemàtica. (reacció poc freqüent):

CO2 + AHC CO3Ca + AH3 Normal CO2 + AHNa (Hidròlisis alcalina) CO3Na2 (soluble, provoca un nou atac) + Alúmina


61

Durabilitat i Aplicacions de Formigons Fabricats amb Ciment Aluminós (de CAC):

Durabilitat:

Resistència a Sulfats i a l’Aigua de Mar: La resistència dels ciments aluminosos a l’atac per sulfats prové de l’absència de

portlandita i de C3A (que formen guix i ettringita, respectivament, en reaccionar amb els sulfats). La resistència als sulfats es manté després de la conversió dels productes inicials d’hidratació en C3AH6.

Resistència als àcids:

Els CAC han demostrat bones resistències a pH = 4. Aquest comportament és conseqüència de la baixa quantitat de portlandita present en aquest tipus de ciments i al fet que els productes d’hidratació dels aluminats són menys vulnerables a l’atac àcid que els productes d’hidratació dels silicats. Les fases formades després del procés de conversió dels productes inicials d’hidratació (és a dir, C3AH6 i AH3), són encara més resistents a l’atac per àcids. Per pHs inferiors a 4, els formigons de CAC poden ser susceptibles a l’atac àcid.

Resistència als àlcalis:

Els productes d’hidratació dels aluminats es poden dissoldre en solucions de pH elevat, per la qual cosa no és aconsellable utilitzar formigons de CAC en situacions de prolongada exposició a dissolucions amb pH superior a 12.

D’altra banda, en condicions alcalines es poden donar una sèrie de reaccions conegudes amb el terme d’hidròlisi alcalina. Aquestes reaccions requereixen la presència d’alcalins i CO2. Tot i que el mecanisme no està del tot establert, el procés s’acostuma a descriure com la descomposició dels productes d’hidratació dels aluminats per a formar aluminats alcalins i portlandita. A continuació, el diòxid de carboni reacciona per formar carbonat de calci i hidròxid d’alumini, alliberant els alcalins que, d’aquesta manera, poden continuar amb la degradació dels aluminats. Una proposta alternativa a aquest mecanisme és la descripció del procés com una carbonatació catalitzada per les condicions alcalines.

Aplicacions: (Segons EHE)

Molt adequat: Formigó refractari. Reparacions ràpides d’urgència. Soleres de caràcter temporal.

Quan la seva utilització sigui justificable:

Obres i elements prefabricats de formigó en massa o armat no estructural. Casos específics de cimentacions de formigó en massa. Formigó projectat.

No indicat:

Formigó armat estructural. Formigó en massa o armat de grans volums. Bases tractades amb ciments per a carreteres. Estabilització de sòls.

Prohibit:

Formigó pretensat.


62

Corrosió

Processos d’oxidació - reducció. Principis bàsics: Estats d’oxidació:

L’estat d’oxidació d’un àtom ens indica els electrons que té de més o de menys respecte el seu estat elèctricament neutre (estat elemental).

L’ O2- és un àtom d’oxigen al qual li sobren dos electrons, mentre que el Na+ és un àtom

de sodi al qual li falta un electró. Un element pot tenir més d’un estat d’oxidació:

FeS: Fe(+2) Fe2O3: Fe(+3) HCl: Cl(-1) HClO4: Cl(+7)

Reaccions d’oxidació - reducció:

Una reacció d’oxidació - reducció és una reacció en la qual es produeix un intercanvi d’electrons. Com a conseqüència d’aquest intercanvi, les espècies que hi participen canvien d’estat d’oxidació.

Només les espècies que canvien d’estat d’oxidació participen a la reacció redox, de manera que la reacció Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu es pot escriure Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu.

Les reaccions redox es poden separar en dues semireaccions: La semireacció d’oxidació és aquella en la qual es cedeixen electrons. La semireacció de reducció es aquella en la qual s’accepten electrons. L’oxidació té lloc a l’ànode; la reducció té lloc al càtode.

Semireacció d’oxidació Zn → Zn2+ + 2e- (ànode) Semireacció de reducció Cu2+ + 2e- → Cu (càtode)

L’espècie que s’oxida (a l’exemple, el Zn) és un reductor, mentre que l’espècie que es redueix (a l’exemple, el Cu2+) és un oxidant.

Cel·les Electroquímiques:

Per tal que es detecti pas de corrent en el sentit electrònic que indica la figura, calen quatre requisits:

Espècie que s’oxida. Espècie que es redueix. Conductor que permeti la circulació

d’electrons. Electròlit (o pont salí) que permeti la

circulació d’ions.

Definim condicions estàndard com les següents: Temperatura: 25ºC . Pressió de les espècies gasoses: 1 atm . Concentració de totes les espècies solubles: 1M .

Definim la diferència de potencial estàndard de la pila (∆ε°) com el voltatge que es mesura en condicions estàndard. Per a la pila Daniell, ∆ε° = 1,10 volt.

El potencial estàndard només depèn de les espècies químiques que formen la pila, i representa la força impulsora del procés.

Element, ió: Estat d’oxidació: Cl2, O2, Cu, Na 0 O2- -2 H+ +1 Na+, Li+, K+ +1 Ca2+, Mg2+ +2

Reacció: Zn + Cl2 → ZnCl2 MnO4- + 8 H+ + 5 Fe2+ → Mn2+ + 4 H2O + 5 Fe3+

Estats d’oxidació: 0 [ +2 -2 ] +7 [ +2 +2 +3 ]


63

Potencials d’Elèctrode o de Semipila: ∆ε° mesura la tendència simultània del Zn a oxidar-se i del Cu a reduir-se, és a dir, del

comportament de l’un enfront de l’altre. No és possible potencials absoluts de semipila, per la qual cosa establim com a referència per definició el potencial estàndard de la semireacció:

H2 (1atm) → 2H+ (1M) + 2e- ε° = 0,00 volt A partir d’aquest, s’estableixen la resta dels potencials d’elèctrode com mostra la figura

Mesurats d’aquesta manera, obtenim

Zn → Zn2+ + 2e- ε° = 0,76 volt Cu2+ + 2e- → Cu ε° = 0,34 volt

Per convenció, els potencials de semicel·la es donen com a potencials de reducció, de manera que: Zn2+ + 2e- → Zn ε° = -0,76 volt

Així, el signe negatiu indica que l’espècie considerada té tendència a oxidar-se quan es

posa amb contacte amb un elèctrode d’hidrogen. Potencials més negatius indiquen més tendència a l’oxidació (espècies reductores), mentre que quant més positiu és un potencial, més tendència a la reducció té l’espècie considerada (espècies oxidants).

Ordenats de més negatiu a més positiu, s’estableix la sèrie electroquímica que es mostra a

la taula següent: Procés catòdic de reducció ε° (volt) Procés catòdic de reducció ε° (volt) Li + e- → Li -3,045 2H+ + 2e- → H2 0,000 K+ + e- → K -2,925 Sn4+ + 2e- → Sn2+ +0,150 Ca2+ + 2e- → Ca -2,866 Cu2+ + e- → Cu+ +0,153 Na+ + e- → Na -2,714 Cu2+ + 2e- → Cu +0,336 Mg2+ + 2e- → Mg -2,363 O2 + 2H2O + 4e- → OH- +0,401 Al3+ + 3e- → Al -1,662 Cu+ + e- → Cu +0,520 Mn2+ + 2e- → Mn -1,179 I2 + 2e- → 2I- +0,535 2H20 + 2e- → H2 + 2OH- -0,828 Fe3+ + e- → Fe2+ +0,770 Zn2+ + 2e- → Zn -0,763 Hg2

2+ +2e- → 2Hg +0,788 S + 2e- → S2- -0,479 Ag+ + e- → Ag +0,799 Fe2+ + 2e- → Fe -0,44 Hg2+ + 2e- → Hg +0,854 Cr3+ + e- → Cr2+ -0,408 2Hg2+ +2e- → Hg2

2+ +0,919 Cd2+ + 2e- → Cd -0,403 Br2 + 2e- → 2Br- +1,066 Tl+ + e- → Tl -0,336 O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O +1,229 Co2+ + 2e- → Co -0,277 Tl3+ + 2e- → Tl+ +1,252 Ni2+ + 2e- → Ni -0,250 Cr2O7

2- + 14 H+ + 6e- → 2Cr3+ + 7H2O +1,333 Sn2+ + 2e- → Sn -0,136 Cl2 + 2e- → 2Cl- +1,359 Pb2+ + 2e- → Pb -0,126 Au3+ + 3 e- → Au +1,497 Fe3+ + 3e- → Fe -0,037 MnO4

- +8H+ + 5e- → Mn2+ + 4H2O +1,507 2H+ + 2e- → H2 0,000 Au+ + e- → Au +1,691

Pb4+ + 2e- → Pb2+ +1,693 Co3+ + e- → Co2+ +1,808 F2 + 2e- → 2F- +2,865

La sèrie electroquímica ens permet preveure el sentit espontani de la reacció entre dues

espècies, com es mostra en els següents exemples (suposant condicions estàndard).


64

Exemples:

Un mateix element es pot oxidar o reduir segons l’espècie amb la que reaccioni. Quan dues espècies tenen potencials de semipila molt similars, la força impulsora de la reacció

és molt petita.

Equació de Nerst:

El signe i la magnitud de ∆ε° ens indiquen la força impulsora de la reacció en condicions estàndard. Si el sistema estudiat està operant en condicions diferents de les condicions estàndard, hem de recórrer a l’equació de Nerst. Aquesta equació ens indica com varia la força electromotriu d’una pila si canvien les concentracions de reactius i de productes.

Així, per a una reacció general: aA + bB ↔ cC + dD

El voltatge de la pila formada ve descrit per l’equació de Nerst com s’indica a continuació:

Exemple:

L’equació de Nerst ens permet observar que és possible canviar el sentit de la reacció modificant les concentracions de Co2+ i Ni2+. Igualment, es pot donar una reacció redox entre dos elèctrodes de la mateixa espècie, si aquesta es troba en diferent concentració a cada elèctrode (piles de concentració).

Termodinàmica de les Reaccions Redox:

Termodinàmicament, l’espontaneïtat d’un procés ve definida pel signe de la variació de l’energia de Gibbs (o energia lliure) que acompanya al procés. [∆G mínima Entalpia (H) (energia) i màxima Entropia (S) (desordre)]. Així, variacions negatives en l’energia de Gibbs indiquen processos espontanis. L’energia de Gibbs es relaciona amb la diferència de potencial d’una pila segons la següent expressió:

∆G = -nF∆ε

Quan ∆ε és Positiu, ∆G és Negatiu, i, en conseqüència, el procés és espontani. Quan ∆ε és Negatiu, ∆G és Positiu, i, en conseqüència, el procés no és espontani

A la taula següent es mostra ∆G pel procés d’oxidació d’alguns metalls, juntament amb

la quantitat relativa d’òxid generat en cadascun d’aquests processos.

Metall Òxid ∆G (kcal/mol)

Massa oxidada (g/mol)

Mg2+ MgO -136 51,0 Cr3+ Cr2O3 -125 0,02 Fe2+ FeO -58 10,8 Ni2+ NiO -52 0,30 Cu+ Cu2O -35 5,50

Zn2+ + 2e- → Zn ε° = -0,763 volt (oxidació) Ni2+ + 2e- → Ni ε° = -0,250 volt (reducció)

Reacció Zn + Ni2+ → Zn2+ + Ni ∆ε° = +0,513 volt

Ni2+ + 2e- → Ni ε° = -0,250 volt (oxidació) Cu2+ + 2e- → Cu ε° = 0,336 volt (reducció)

Reacció Ni + Cu2+ → Ni2+ + Cu ∆ε° = +0,586 volt

Co2+ + 2e- → Co ε° = -0,277 volt (reducció) Ni2+ + 2e- → Ni ε° = -0,250 volt (oxidació)

Reacció Co + Ni2+ → Co2+ + Ni ∆ε° = +0,03 volt

[ ] [ ][ ] [ ]ba

dco

BADC

nlog059,0

−∆=∆ εεOn n és el nombre d’electrons transferits a la reacció i 0,059 és un factor constant a 25ºC.

Així, per a la reacció Co + Ni2+ → Co2+ + Ni ∆ε° = +0,03 volt l’equació de Nerst ens diu que [ ]

[ ]++

−=∆ 2

2

log2059,003,0

NiCoε

(la concentració dels sòlids Ni i Co és constant i igual a 1).

On n són els mols d’electrons que intervenen en el procés i F és la constant de Faraday (96487 C/mol e-).

Les dades d’aquesta taula permeten observar que processos que tenen en principi una termodinàmica similar, poden tenir cinètiques molt diferents, que poden arribar pràcticament a aturar processos espontanis.


65

Processos corrosius: procés on hi ha hagut un deteriorament d’un metall a causa d’un procés electroquímic.

Heterogeneïtats electroquímiques: Diferencies de potencial electroquímiques entre diferents

punts d’una superfície metàl·lica, donant lloc a zones anòdiques i zones catòdiques. Aquetes diferències de potencial que acabarà deteriorant el sistema.

Heterogeneïtats en la fase metàl·lica: De constitució:

Aliatges bifàsics polifàsics: aliatges de diferents metalls amb ddp diferents. Partícules contaminants a la superfície. Segregacions en casos en els que la concentració del solut a l’aliatge no és uniforme a

tota la peça metàl·lica. Unions bimetàl·liques: Unions a causa d’una reacc. redox que acaba unint dos metalls.

D’estructura: Límits de gra de la fase metàl·lica: El potencial del límit de gra és diferent al del interior

del metall causant l’activació d’una reacció redox. Anisotropia cristal·lina: Redox activada per la mateixa estructura del metall. Dislocacions emergents.

D’ordre Mecànic: Diferències de Potencial degudes a diferencies de tensions. De conformació. Tensions no previstes. Soldadures. Discontinuïtats en capes protectores.

Heterogeneïtats en el medi: Segons la situació de la infraestructura. Zones d’aireació diferencial: Zones amb gran contacte amb l’aire. (Ponts) Zones amb alta concentració salina. Variacions de pH. Diferències de composició.

Heterogeneïtats en les condicions ambientals: Segons característiques de l’entorn. Destaquen: Diferencies d’humitat. Diferencies de temperatura. Actuació d’un camp elèctric extern.

Tipus de corrosió en metalls en contacte amb l’aire:

Corrosió Seca: Aquest tipus de corrosió es dóna quan el material es troba sotmès a l’acció de

gasos a temperatures elevades.

Obtenim una capa d’òxid (MO) entre el metall i l’aire. Aquest òxid pot ser mot compacte, poc porós i que es diposita de manera uniforme

(aïlla el metall de l’aire creant una capa protectora); o pot ser porosa (la reacció continua afectant el metall).

Es produeix a calderes, reactors, etc., a la part que es troba en contacte amb els productes de la combustió.

Corrosió Humida: Procés que es desenvolupa a temperatura ambient o no molt elevada i en

contacte amb medis aquosos.

Procés espontani que causa la corrosió de l’acer del formigó entre d’altres.

Metall M

Aire (O2) 2e- + O2 O2-

M M2+ + 2e- M2+ + O2- MO

Metall M

Aire (O2) Aigua (H2O) 2e- + O2 + 2 H2O 4 OH-

M M2+ + 2e- M2+ + 2OH- M(OH)2


66

Corrosió d’armadures en el formigó armat: El Fe no és un element que podem trobar en la natura en un estat estable. Aquest està present

en Òxids de Ferro. El Fe és molt més estable en les seves formes oxidades. En les barres de Fe es produeix:

Fe Fe2+ + 2e- (Oxidació, ànode) i O2 + 2H2O + 4e- 4 OH- (Reducció, càtode) 2Fe + O2 + 2H2O 2Fe2+ + 4 OH- 2Fe(OH)2 (O2) 2H2O + 2Fe2O3·H2O

És necessària la presencia d’aire (O2) i d’aigua (H2O).

Problemàtica: Consumició de l’acer i disminució de la resistència. Augment de volum i fisuració. (El volum molar dels

productes de corrosió és més elevat que el Fe).

Proteccions de l’armadura: Físiques:

Augment del gruix del formigó com a recobriment de l’acer. (Normativa EHE 4cm mín.).

Augment de la qualitat del formigó en termes de porositat. És convenient un formigó poc permeable, poc porós i poc vulnerable a atacs d’altres agents.

Químiques: pH elevat: Si és superior a 12,8 es produeix la passivació

[Es crea una capa d’òxid que fa de protecció entre el formigó i l’armat que només es mantindrà amb un pH bàsic. En el cas que el pH baixi, l’òxid es dissoldrà i la protecció disminuiria.]

Alteració de la Protecció:

Física: Deteriorament per tensions o per erosió. Armadures pre-tensades o post-tensades són més vulnerables a l’atac corrosiu a causa de la tensió afegida.

Química: Destrucció de la capa passivadora, fet que implica una disminució del pH i un atac per clorurs a l’armadura [Veure teoria més endavant].

Passivació

La passivació consisteix en la formació d’una capa molt fina d’òxid a la superfície d’un metall que actua de barrera entre aquest i l’electròlit, aturant així l’oxidació o reduint la seva velocitat de manera significativa. Així, parlem d’armadures passives quan ens referim a armadures protegides per una capa passivada i d’armadures actives en cas contrari.

Les corbes intensitat – potencial de passivació descriuen l’evolució del procés de corrosió en aplicar potencials creixents.

Àmbit Actiu (AB)

Dissolució directa del metall. Àmbit Passiu (CD)

Intensitat de corrent baixa a causa de la presència d’una capa d’òxid de caràcter aïllant.

Àmbit transpassiu (DE) Reactivació per trencament o

solubilització de la capa de passivada.

I: Inici A: Despassivació II: Propagació D: Fisuració

A

B

C D

E

El,M Ef Et E

ln i

A

B

C D

E

El,M Ef Et E

ln i


67

Corrosió d’Armadures per Penetració d’Ions Clorur: Tipus d’Ions Clorur:

Clorurs lliures: Causants de l’efecte corrosiu. Migració: Electròlit, capil·laritat. Difusió: Gradient de concentració.

Clorurs Combinats: Procés Físic: Adsorció per compostos del

formigó. Procés Químic: Combinació (Reacció C3A)

Mecanisme de corrosió electroquímica en presència de clorurs:

Fe + 3Cl- FeCl3- + 2e- i O2 + 2H2O + 4e- 4OH- FeCl3

- + 2OH- Fe(OH)2 + 3Cl- En aquesta doble reacció el Cl- no es consumeix generant picadures (forats en l’acer).

Influència d’altres factors:

Sulfats: En el cas que hi hagi sulfats en l’ambient la reacció empitjora perquè augmenta proporcionalment la quantitat de clorurs lliures. (en funció de la quantitat de C3A).

Relació A/C: Com més elevada sigui la relació A/C més profunda serà la corrosió ja que el transport de clorurs serà més fàcil i ràpida.

Concentracions salines: Com més elevada sigui la concentració salina més profunda serà la corrosió.

Temperatura: Amb un augment de temperatura es produeix un augment de la velocitat de reacció. [ +10ºC ·2 vel de reacció]

Pitjor situació: 70% humitat, 30ºC i a prop del mar.

Corrosió en Ambients Marins: Components de l’agressió als formigons en medi marí:

Factors Químics: Clorurs: Ataca el C3A formant cloroaluminats, que es transformen en ettringita

(expnasiva), que es pot convertir en taumacita (expansiva). Sulfats: Ataca el CH formant ettringita (expnasiva). Altres Ions: Mg(OH)2 [brucita] (expansiva) .

Na+ / K+ poden produir reacció àlcali – àrid. CO2: Carbonatació: Atac al CH que disminueix CaCO3. Al consumir el CH disminueix

el pH i, per tant, la protecció de l’acer. [Obs: també obturen porus.] o Ca(OH)2 + CO2 + H2O → CaCO3↓ (aragonita o calcita) + 2H2O

Factors “Geomètrics”: Alteracions immersió – emersió del formigó dins l’aigua de mar.

Factors Ambientals o Climàtics: (Poden afectar de manera diferent la mateixa estructura). Temperatura. Humitat ambiental. Cicles Gel – Desgel.

Factors Mecànics: Erosió per onatge. Vents. Impactes externs.

Factors Biològics: (poden afectar qualsevol ambient) Microorganismes: Bacteris, Fongs, Algues. Metabolitzen el Fe (de Fe2+ a Fe3+) per

obtenir energia, desprenen excrements àcids o moren, descomponent-se i alliberant H2S. [Poden viure en condicions molt variades: altes Tº, poc O2, ... ].

Macroorganismes: Crustacis de closca calcària (cargols, cloïsses, petxines, ...). Metabolitzen el CH per obtenir Ca per la closca.

Atmosfera

Formigó

Acer

Reaccions:


68

Zones d’exposició:

(1) Zona d’Atmosfera Marina:

Depèn de les condicions de la costa, vents o orografia, tot i que pot estar restringida al contacte amb l’aigua.

0~100~5km terra endins. (2) Zona d’Esquitxos:

Zona afectada per les gotes d’aigua producte de l’impacte de l’ona amb l’estructura.

(3) Zona de Marees:

Períodes d’alternança en la submersió dins l’aigua marina.

(4) Zona Submergida:

Zona en contacte constant amb l’aigua marina.

2 Causes de deteriorament segons

zones d’exposició:

Zona d’Atmosfera Marina: (segons situació geogràfica) Sal transportada per la brisa i la boira. Activació de la corrosió d’armadures per Cl-. Danys per Factors Climatològics.

Zona d’Esquitxos:

Activació de la corrosió d’armadures per Cl-. Danys per Factors Climatològics. Abrasió per onatge. Possible atac químic al formigó.

Zona de Marees:

Velocitat de difusió de l’O2 baixa relativament per saturació del formigó. Abrasió per onatge. Corrosió. Danys per Factors Climatològics. Atac químic al formigó. Creixement Biològics.

Zona Submergida:

Velocitat de difusió de l’O2 baixa per saturació del formigó. Atac químic al formigó. Creixement Biològics.

Productes expansius de la corrosió en ambients marins: Ettringita:

CaCl2·C3A·10H2O → C3A·3CaSO4·32H2O Taumacita:

C3A·3CaSO4·32H2O → CaCO3·CaSO4·CaSiO3·15H2O Cloroaluminats:

CaCl2 + C3A + 10 H2O → CaCl2·C3A·10H2O Brucita:

MgCl2 + Ca(OH)2 → CaCl2 (soluble) + Mg(OH)2↓

1

3

2

4

Marea Alta

Marea Baixa

Esquitxos

El Vent crea una atmosfera rica en sals

Fons Marí


69

Protecció Enfront a la Corrosió:

Concepte de vida útil: El concepte de vida útil expressa el període de temps durant el qual una estructura de formigó

manté els requisits mínims de seguretat, estabilitat i funcionalitat pels quals havia estat projectada, sense costos inesperats de manteniment o de reparació.

Diagrama de Tuutti:

El diagrama de Tuutti representa d’una manera gràfica com es comporta una estructura de formigó armat al llarg del temps. Durant un període d’iniciació, l’estructura conserva les seves característiques de funcionalitat i seguretat fins el moment en el que es produeix un atac que provoca el deteriorament progressiu de l’estructura (període de propagació) fins a superar un nivell en el que l’estructura es torna insegura o perd la funcionalitat per a la qual havia estat projectada. Com s’observa en el diagrama de Tuutti, el tipus d’atac al que està sotmès un formigó, determina la seva vida útil.

1. Medi amb Clorurs. 2. Formigó normal. 3. Formigons especials tractats. [Tenen menys porositat, menys permeabilitat, ...]

Molt usats en casos d’alta sensibilitat (per exemple: Centrals Nuclears).

Mètodes de Protecció de l’Armadura:

Els mètodes de protecció contra la corrosió tenen com a objectiu allargar tant com sigui possible el període d’iniciació, és a dir, la vida útil d’una estructura de formigó armat, tenint en compte que en cap cas es pot evitar totalment l’aparició de processos corrosius. Així, la finalitat d’un mètode de protecció contra la corrosió no és tant evitar-la com endarrerir la seva aparició tant com sigui possible.

Adequació dels materials i disseny a utilitzar:

L’adequació s’aconsegueix amb un formigó poc porós, poc permeable i poc vulnerable a l’atac d’altres agents externs. És un factor que sempre es té en compte.

Aliatges: Acer amb Ni i Cr: Adequat per medis àcids i no aconsellable en medis alcalins o àcids

oxidants. Acer amb Ti: Adequat per medis oxidants.

L’Adequació del disseny s’enfoca a evitar zones de vulnerabilitat: Reduir tensions mecàniques. Utilitzar metalls amb potencials d’elèctrode similars. Evitar unions bimetàl·liques. Es pot aconseguir amb juntes aïllants. Evitar dipòsits de líquids. Evitar zones d’alt gradient tèrmic. Preveure dispositius de control Facilitar l’accés a les possibles zones que pensem que poden arribar a ser vulnerables

per seu manteniment o inspecció.

1

2

3


70

Protecció catòdica: En la corrosió el Fe actua com a ànode. Sabent que “un metall es comportarà oxidant-se o

reduint-se segons quin altre metall tingui enfront” podem aconseguir que el Fe actuï com a càtode, evitant la corrosió. Ús: Canonades de qualsevol tipus, formigó armat, enginyeria naval (per protegir el casc

dels vaixells). Mètodes de Protecció catòdica:

Ànodes de Sacrifici: Connecten l’acer amb un altre metall que es comporti més anòdicament que el Fe. Normalment s’utilitzen metalls com: Al, Zn, Mg. Els ànodes de sacrifici s’han d’anar canviant contínuament a causa del consum del metall. ∆εº: Fe (-0,44 V); Al (-1,66 V); Zn (-0,76 V); Mg (-2,36 V). S’ha de considerar que l’Al té molta tendència a passivar-se.

Subministrament de corrent extern: Es connecta una font de corrent entre el Fe i un ànode inert (normalment és de Ti) que inverteix la reacció redox. Aquest sistema s’utilitza en sistemes on hi ha una corrosió generalitzada. En medis on hi a clorurs la circulació de corrent fa que els ions Cl- vagin cap a

l’ànode inert. Aquest mètode es coneix com extracció electroquímica de clorurs. Avantatges: la protecció catòdica utilitza mètodes no destructius. Tot i això sempre és

convenient analitzar quines possibles conseqüències pot causar l’ús d’un determinat mètode.

Inhibidors de corrosió:

Substàncies que s’afegeixen a la mescla del formigó i que actuen evitant que es produeixi la corrosió. Actuen sobre l’armadura i sobre el medi agressor. Els principals són: Inhibidors Anòdics: Nitrit de Calci: Ca(NO2)2

Fe2+ + 2OH- + 2NO2- 2NO (g) + Fe2O3 + H2O

Efectes secundaris: els ions de calci acceleren la presa i si el Ca(NO2)2 > 5% en pes de ciment aquest reacciona amb la CH

[Ca(NO2)2 + Ca(OH)2 +2H2O Ca(NO2)2 · Ca(OH)2 ·2H2O] formant una sal expansiva que causa fissures en el formigó.

Inhibidors Catòdics: Amino alcohols: Etanolamina: H2N-CH2-CH2-OH. Bloqueja els punts d’intercanvi d’electrons en la reducció de l’oxigen a ions OH-.

El problema que presenten que es que una vegada afegits ja no es poden retirar, per tant, s’han de considerar molt bé les possibles conseqüències d’utilitzar un producte o un altre. (Possibles reaccions amb altres additius o amb el mateix formigó).

Recobriments protectors: Substancies Poc poroses, Impermeables, amb Capacitat de formar capes contínues i

homogènies, Alta resistència a la difusió d’ions pel seu interior, Baixa conductivitat elèctrica, Estables, amb Bona Adherència i que No es danyin amb facilitat. Recobriments metàl·lics: Creen una unió bimetàl·lica. (atenció amb el metall escollit!).

Els recobriments metàl·lics es col·loquen per electròlisi, per immersió en estat fos (galvanització) o per projecció en aerosol (metal·lització). Ag, Cr... Tenen major tendència a reduir-se que el Fe El Fe s’oxida. Zn, Pb, Sn, Ni, Al... Tenen ,major tendència a oxidar-se que el Fe El Fe es redueix.

Recobriments inorgànics: Substàncies poc poroses i molt impermeables que són dures però alhora molt fràgils (tant als cops com als canvis de temperatura). Són recobriments inorgànics els esmalts vitris, els revestiments de vidre i els esmalts

de porcellana. Recobriments orgànics: Substàncies poc poroses i molt impermeables que són dures

però alhora molt fràgils. Són recobriments orgànics les pintures i vernissos (mescles líquides de partícules

insolubles suspeses en un vehicle orgànic), les laques (resines dissoltes en un dissolvent volàtil que en evaporar-se permet la formació d’una pel·lícula protectora) i tot tipus de recobriments plàstics o plomers (polietilè, Tefló, neoprè, vinil). Hi poden haver inhibidors de corrosió mesclats.


71

Confirmar la qualitat del formigó.

Assaigs químics destructius.

Assaigs electroquímics. Són probabilístics (indiquen la probabilitat de corrosió)

Assajos de Corrosió:

Es poden classificar segons la finalitat de la següents manera:

Assaigs de Rutina, control o monitorització. Poden fer-se in situ o en el laboratori.

In situ no controles les condicions i amés a més no disposes del material precís necessari.

Al laboratori pots controlar les condicions de cada ambient i és idoni per realitzar comparacions entre diferents formigons o ambients.

Poden ser destructius o no destructius. En un assaig de rutina es vol que sigui in situ, no destructius, que permetin fer un

seguiment al llarg del temps, i que no requereixin de materials molt pesats o que estiguin poc a l’abast.

Assaigs d’Idoneïtat. Assaigs Mecanístics. [Mètode utilitzat a laboratori].

Tipus d’assaig:

Examen visual: (sospita). Fissures o presencia de taques.

Assaigs preliminars: (confirmació de sospita).

Conèixer el gruix del recobriment. Consideració de la possible disminució del diàmetre de l’armadura.

Assaigs característics de la corrosió: (estudi dels danys).

Resistència. Porositat i densitat. Identificació d’agents corrosius. Determinació de SO4

2-. Determinació de la profunditat de carbonatació. Determinació del potencial de corrosió. Determinació de la resistivitat del formigó.

Determinació del potencial de corrosió: Assaig in situ i no destructiu que permet fer un “mapa de corrosió”. V > -200mV. 10% de probabilitat de corrosió Probabilístic. -200mV > V > -350mV. 50% de probabilitat de corrosió. V < -350mV. 90% de probabilitat de corrosió.

Determinació de la resistivitat del formigó: S’introdueix un corrent elèctric connectat al

formigó i es mesura el seu potencial. Coneixem la resistivitat del formigó mitjançant la llei d’Ohm. R < 5000 Ω/cm. Probabilitat Molt alta de corrosió 5000 < R < 10000 Ω/cm. Probabilitat Alta de corrosió. 10000 <R < 20000 Ω/cm. Probabilitat Moderada de corrosió. R > 20000Ω/cm. Probabilitat Baixa de corrosió


72

Casos Pràctics: Casos Pràctics 1-4:

Es tracta d’un conjunt de notícies que tenen a veure amb desperfectes relacionats amb processos corrosius. En aquests casos es tracta bàsicament d’identificar les causes de corrosió i assenyalar les mesures que hauria calgut prendre per evitar-la. Les preguntes afegides pretenen posar èmfasi en determinats aspectes de cadascun dels casos.

Cas Pràctic 5: En aquest cas es presenta un recull d’articles apareguts a la premsa a partir del tancament de la

Central Nuclear Vandellòs II a causa d’una avaria per corrosió de les canonades del sistema de refrigeració. El articles van ser publicats en diferents seccions dels diaris (societat, opinió, i altres). Es tracta de donar una visió de conjunt d’aquest incident, més enllà de les causes tècniques que el van originar. A més de les causes i de les conseqüències tècniques que va tenir el tancament, molts altres aspectes es veuen implicats. Així, els factors de tipus econòmic, polític, ambiental o de seguretat per a la població, donen una dimensió que sobrepassa el procés químic i les consideracions purament tècniques del problema. Les preguntes plantejades a l’entorn d’aquest cas busquen provocar la reflexió i el debat, i, en conseqüència, no tenen una resposta concreta i definitiva.

Casos Pràctics 6-9: Finalment es presenten quatre articles que parlen d’aspectes relacionats amb la corrosió en

camps molt diferents. Aquest últims exemples pretenen il·lustrar, tot i que molt modestament, l’ampli ventall de situacions en les quals es troba implicada, directa o indirectament, la corrosió.

Cas Pràctic 1 La galería gótica del Ayuntamiento, entre tubos

El País, 20/05/05 El Ayuntamiento de Barcelona está en rehabilitación. La Casa Gran no escapa a las estructuras que se encaraman a cualquier fachada de la ciudad y los tubos trepan por las paredes superiores de la galería gótica. El motivo de la intervención es el deterioro de las gárgolas, los canalones esculpidos que coronan la fachada de la galería. Como ha ocurrido en la catedral, el hierro que sujeta las gárgolas ha oxidado la piedra y tiene que sustituirse para evitar que la corrosión la fragmente y se produzcan desprendimientos. Algunas de las gárgolas han sido cubiertas con lonas para ser tratadas, en una intervención que durará varios días.

Cas Pràctic 2 El Fidac estudiará la factura de la extracción del fuel del 'Prestige'

El País, 19/10/05 El Fidac (Fondo Internacional de Daños Debidos a la Contaminación por Vertidos) ha aceptado tramitar para su estudio la factura presentada por el Gobierno español por la recuperación del fuel del petrolero Prestige, hundido frente a las costas gallegas en noviembre de 2002. La postura inicial de este organismo era de absoluto rechazo, por entender que este gasto (109 millones de euros) era desproporcionado en comparación con el riesgo que se corría de nuevas contaminaciones fruto de las 15.000 toneladas que aún albergaba el casco del petrolero hundido. Los argumentos técnicos esgrimidos por España, alertando del riesgo de nuevas catástrofes ambientales en un horizonte de décadas debido al imparable flujo del fuel, debido a la corrosión del casco, y su deriva hacia la costa, sumaron a esta postura a Francia y Portugal, y el Fidac retiró su veto. Ahora, aunque se aprobase esta factura, España no cobraría un euro más que los 126 millones ya acordados por el fondo, pero serviría como precedente para futuras catástrofes y para documentar la demanda de España contra la clasificadora del Prestige.


73

Cas Pràctic 3

Las piezas del Sagrado Corazón esperan en una nave de Artigas su restauración

El País, 07/12/04 Las piezas de bronce que forman la escultura del Sagrado Corazón, colocada sobre un pedestal de piedra de 40 metros de altura desde hace 78 años en la plaza de Bilbao que lleva su nombre, están depositadas en una nave industrial de Artigas, a la espera de que la restauración le devuelva el esplendor perdido. Su larga vida a la intemperie acabó hace tiempo con la pátina original, de color dorado, y permitió que la corrosión avanzara. La suciedad acumulada y el efecto de la lluvia ácida han sido los principales culpables del ennegrecimiento del bronce. Las filtraciones de agua habían causado un daño mayor: los tornillos de hierro que unían las piezas estaban afectados por la corrosión y en el interior se había formado una balsa de 10 centímetros de profundidad. Cuando vuelva a la plaza que corona la Gran Vía, la escultura estará protegida para impedir la entrada de pájaros y el daño que las filtraciones de agua han ocasionado.

Cas Pràctic 4

Reabierta la piscina infantil de la Creueta del Coll tras estar dos años cerrada

El País, 15/07/05 Tras dos veranos cerrada por problemas de seguridad, el pasado día 4 abrió sus puertas la piscina infantil de parque de la Creueta del Coll. Las instalaciones de la Creueta del Coll, una antigua cantera próxima al parque Güell convertida en parque a finales de los años ochenta, padeció un desprendimiento de tierras y rocas en junio de 2003, lo cual obligó a cerrar el parque. El verano pasado tampoco pudo abrir la piscina porque se advirtieron unas grietas en la pileta que obligaron a practicar unas catas en el subsuelo. Del resultado de esta exploración y de un posterior informe geológico se sacó la consecuencia de que el suelo de la piscina no era estable, por lo que se iniciaron los trabajos de levantamiento del terreno y se volvió a construir. La piscina de la Creueta del Coll es frecuentada por multitud de niños de toda Barcelona y es un lugar preferido por los casals de verano para llevar a sus pequeños a gozar del verano, ya que los 60 centímetros de altura de agua que tiene la piscina la hacen especialmente segura para los menores. El parque es conocido por la escultura suspendida de Chillida Elogio del agua [veieu la informació annexada] que en julio de 1998 saltó a los titulares de la prensa porque la corrosión rompió uno de los tirantes que la sujetaban e hirió a tres personas. La escultura, de hormigón armado, sufrió graves desperfectos. Elogio del agua, d’Eduardo Chillida

Fragment adaptat de www.spaindev.pomona.edu/barcelona/chillida.html Una pesada urpa de formigó armat penja a unes poques polzades d’una piscina, on es veu reflectida, materialitzant-se així una interpretació de l’antic mite de Narcís. Esculpida in situ per l’escultor basc Eduardo Chillida, Elogio del Agua, penja al bell mig del Parc de la Creueta del Coll en el que havia estat una pedrera.

Chillida i els arquitectes del parc van utilitzar la gravetat i la profunditat com metàfores en la creació d’aquest ambient construït, en un intent d’imbuir el parc d’història contemporània i orgull local.


74

Cas Pràctic 5 Vandellòs 2 repara canonades de refrigeració corroïdes

El Periódico, 17/03/05 L'Associació Nuclear d'Ascó i Vandellòs (ANAV) va anunciar ahir que modificarà el disseny de les boques de les canonades de la central Vandellòs 2 per on circula l'aigua de mar que refrigera el reactor, amb l'objectiu d'eliminar la corrosió que pateixen. L'agost del 2004 es va produir una fuga en aquestes peces i dimecres passat es van detectar taques d'humitat pel mateix problema. Aquest fet va aconsellar avançar la recàrrega de combustible, prevista per a dissabte, i parar la planta. "Farem canvis en les conduccions", van dir fonts de l'ANAV. També es revisaran els procediments d'inspecció i vigilància per millorar la detecció de fallades. El grup ecologista Greenpeace va afirmar ahir que els fets demostren que "el deteriorament de les conduccions era gravíssim" i va demanar responsabilitats al Consell de Seguretat Nuclear (CSN), que tutela les centrals, per deixar que Vandellòs 2 funcionés set mesos en aquestes condicions. El CSN, però, assegura que "no hi va haver cap risc". La corrosió de Vandellòs 2 es remunta a l'any 2000, segons els ecologistes

El Periódico, 21/03/05 Ecologistes en Acció de Catalunya (EAC) ha mostrat la seva preocupació per la corrosió a les canonades del sistema de refrigeració de la central nuclear Vandellòs 2, al tenir-ne indicis que es remunten a l'any 2000 i no a l'agost del 2004, quan hi va haver una fuita d'aigua de mar per aquesta causa. L'Associació Nuclear d'Ascó i Vandellòs (ANAV), propietària de la planta, ha negat els antecedents i el Consell de Seguretat Nuclear (CSN) ha dit que "no li consten". Segons Jaume Morrón, portaveu d'EAC i del Servei Mundial d'Informació sobre l'Energia (WISE), "el deteriorament de les canonades és molt greu i cal depurar responsabilitats, perquè es va posar en perill la instal·lació i va augmentar el risc". Morrón critica l'ANAV i el CSN per permetre que la nuclear seguís funcionant després de l'avaria de l'agost. La central aprofita la parada per recarregar combustible per reformar el circuit. Abans d'autoritzar l'arrencada del reactor, el CSN n'examinarà les modificacions. El personal de Vandellòs alertó durante años de la corrosión de las tuberías.El gerente de la nuclear admitió ante la inspección del CSN que el incidente "no tenía justificación"

El País, 10/05/05 La corrosión de las tuberías de la central nuclear de Vandellòs II vino precedida de "numerosas señales proporcionadas por el personal que inspeccionaba esas tuberías", según admitió el gerente de la central, Juan José Pérez Torrent, ante los inspectores del Consejo de Seguridad Nuclear. Pérez Torrent añadió que "las causas que habían dado lugar al incidente no tenían justificación", según el acta de la inspección, realizada del 11 al 14 de enero, seis meses después de la rotura de una tubería por años de degradación. La inspección destapó numerosas irregularidades en la central, que ha sufrido el incidente más grave desde 1992. El 11 de enero de 2005, seis inspectores del Consejo de Seguridad Nuclear (CSN) llegaron a Vandellòs II (Tarragona) para completar el informe sobre la degradación de un sistema de refrigeración que había realizado otro equipo de inspectores en septiembre y octubre de 2004. El 25 de agosto se rompió una tubería que llevaba años degradándose sin que nadie hiciera nada por evitarlo. Los inspectores fueron recibidos por el gerente de la Asociación Nuclear Ascó-Vandellòs (Anav), Juan José Pérez Torrent; por el director de la central, Ángel Fernández, y por el director de servicios técnicos, Ramón Sabaté. Anav es propiedad de Endesa e Iberdrola. Los inspectores pasaron tres días en la central, que seguía funcionando con permiso del CSN, e interrogaron a 35 personas, entre trabajadores, directivos y personal de contratistas. Según el acta de la inspección, el gerente reconoció que "la organización estuvo siempre pendiente de la posibilidad de corrosión interna, pero se menospreció la posibilidad de un proceso de corrosión generalizado en la parte externa". La tubería tiene unas bocas en forma de T para inspeccionar el interior. Estas entradas se fueron degradando durante años por el agua de lluvia y el ambiente salino exterior (la central está junto al mar). Las bocas, sin protección anticorrosión, se crearon en 1988 para poder inspeccionar el interior ante el riesgo de corrosión interna, un problema que había aparecido en la central gemela de Vandellòs I. Pérez Torrent admitió que durante años hubo alarmas sobre el estado de la tubería.


75

"Ha habido numerosas señales proporcionadas por el personal que inspeccionaba estas tuberías de que se estaba produciendo un fenómeno de corrosión en las mismas", reconoció ante los inspectores. Informe en 1993 La primera alerta sobre la corrosión la dio en 1993 la empresa contratista. En 1999 y 2000 la empresa reiteró la advertencia y recomendó medir el espesor de las bocas, algo que no realizó la central, según el informe que realizó el CSN tras las inspecciones. En mayo de 2004 apareció un rezume de agua en una de las entradas que años antes presentaba degradación. Esa boca se rompió en agosto y, aunque nunca hubo riesgo de accidente, el CSN lo ha calificado como el incidente más grave desde 1992, debido a que la degradación llevaba años. El CSN acusa a la central de "primar la producción sobre la seguridad" y de ocultar información. La central reconoció que después de la fuga de mayo no aplicó el procedimiento de revisión que "hubiera conducido a un análisis más riguroso del alcance del rezume y posiblemente se hubieran tomado acciones que hubieran evitado la rotura". Pérez Torrent afirmó, siempre según el acta de la inspección, que "las causas que habían dado lugar al incidente de la rotura de la boca de hombre de la tubería no tenían justificación" y reconoció "un olvido generalizado" sobre el estado de la tubería. Sin embargo, la central apuntó que "los trabajos de la empresa contratista que realizaba el saneado del exterior de la tubería no había sido adecuado". Pérez Torrent alegó que la tubería "no responde a códigos nucleares y se sale de las normas que se manejan en la industria nuclear, lo que dificulta su tratamiento" y afirmó que introduciría cambios en la central "para que cuando una recomendación de una parte de la organización no se lleve a cabo, el conjunto de la organización lo detecte". La inspección destacó que la vigilancia de la tubería recaía en una sola persona y que el manual de mantenimiento era impreciso. Vandellòs 2 invertirà 50 milions en la refrigeració

Avui 11/11/05 L'alt poder corrosiu de l'aigua de mar va generar el greu deteriorament del sistema d'aigües essencials que ha mantingut la central de Vandellòs 2 aturada durant gairebé sis mesos aquest any. Davant la magnitud del problema i les seves conseqüències -que globalment el Consell de Seguretat Nuclear (CSN) va qualificar de nivell 2 en l'escala internacional, el més greu des de Trillo (1992)-, la planta es dotarà d'un nou sistema de refrigeració immune a l'efecte devastador de la corrosió perquè hi circularà aigua dolça. Costarà 50 milions d'euros i podria entrar en funcionament a partir del 2007. La iniciativa forma part d'un pla d'acció de millora de gestió de la seguretat que compta amb el vist-i-plau del CSN i que també fa referència a canvis organitzatius, entre altres aspectes. Obeint a aquesta reestructuració, ja el mes de juny passat la propietat de les centrals (Endesa i Iberdrola) va decidir el relleu de bona part de l'equip directiu d'Ascó i Vandellòs. La central tarragonina no només va deixar d'ingressar una mitjana de 600.000 euros diaris durant els 171 dies que va estar aturada, sinó que la reparació del sistema d'aigües essencials va costar 15 milions. Pel que fa al nou sistema d'aigua dolça, es preveu la construcció de dues torres de refrigeració que "no tindran impacte visual", segons va explicar el nou director de la central, César Candás. El nou circuit tancat garantirà la refrigeració dels equips auxiliars de la central durant 30 dies. Vandellòs demana a la nuclear que redueixi subcontractació per millorar la seguretat

El Punt 29/11/05 L'Ajuntament de Vandellòs i l'Hospitalet de l'Infant ha demanat a la central nuclear Vandellòs II que afavoreixi els contractes directes en detriment de la subcontractació per tal de millorar els nivells de seguretat de la central pel major coneixement i formació dels treballadors de plantilla. El govern municipal ho sol·licitava als representants de la central en la segona sessió de la comissió local d'informació constituïda fa poc a iniciativa de l'Ajuntament i a l'estil d'altres municipis de l'Estat amb centrals nuclears. Els representants de la central explicaven ahir a la comissió les mesures que s'han adoptat per fer front als reptes de millora de la seguretat que les tres nuclears catalanes s'han proposat arran de l'incident al sistema de refrigeració. És el cas del circuit de refrigeració alternatiu que es construirà per abordar una emergència en cas que l'actual estigui inoperable o la creació del grup extern d'assessorament que ha de permetre canvis organitzatius i de mètodes de treball per augmentar la implicació dels treballadors en la seguretat de les plantes. També ahir es reunia la comissió de seguiment de la central tèrmica de Gas Natural, les obres de construcció de la qual van començar al setembre a la Plana del Vent del municipi. Entre d'altres, es va abordar la preparació dels cursos de formació dels aspirants a treballar a la central.


76

Las nucleares redujeron su inversión en seguridad con la liberalización de 1997. Los ecologistas vinculan el recorte, un 62% en cinco años, con sucesos como el de Vandellòs

El País, 03/05/05 Las centrales nucleares españolas invirtieron en 2001 un 62,5% menos que en 1996, según la industria nuclear. El descenso coincide con un cambio legal que obligó a las centrales a pagar las reparaciones e inversiones. Hasta entonces, el Gobierno les devolvía lo que invertían en seguridad. Los ecologistas denuncian que el descenso en la inversión ha supuesto un aumento del riesgo de las centrales y ponen como ejemplo la corrosión durante años de una tubería de Vandellòs. El Consejo de Seguridad Nuclear afirma que el descenso de inversión no ha supuesto más inseguridad. Hasta finales de 1997, los consumidores pagaban la reparación de las centrales nucleares. Una central cambiaba una tubería, lo comunicaba al Ministerio de Industria y éste le daba el coste de la reparación con dinero de la factura de la luz. En este capítulo entraban las adaptaciones de seguridad exigidas por el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN). El entonces presidente del CSN, Juan Manuel Kindelán, declaró en 1998 ante el Congreso, tras la aprobación de la Ley del Sector Eléctrico: "El gran reto que tenemos por delante es mantener y aún incrementar los altos niveles de seguridad ya alcanzados, en un marco en el que la competitividad obliga a reducir costes". Y señaló que "la aparente contradicción de aumento de la seguridad y bajada de los costes" sólo la podía resolver la tecnología. Kindelán afirmó que sería irresponsable negar que la ley obligaba a intensificar las inspecciones. La bajada de costes pronosticada se dio en el sector de forma casi continuada entre 1996 y 2001, según los datos que presentó en una conferencia en marzo el Foro Nuclear, que no dio datos más actualizados. En 1996, las siete centrales españolas invirtieron 341,682 millones de euros. En 2001, 128,190 millones. La única central que aumentó su inversión en ese periodo fue Cofrentes, en Valencia. Vandellòs II (Tarragona) pasó de 26 millones en 1996 a 15,58 millones en 2001, un 41% menos. En 1999, cuando cambió la turbina, invirtió 69,52 millones. Costes de operación Los costes de operación y mantenimiento se redujeron un 20% entre 1995 y 2001. Como el combustible nuclear también ha bajado de precio, el resultado es que el kilowatio.hora nuclear ha pasado de 1,455 céntimos de euros en 1995 a 1,033 en 2001, siempre según los datos de la industria nuclear. El Consejo de Seguridad Nuclear afirma que la reducción de inversiones no ha supuesto un aumento de los sucesos. "No miramos los gastos de las centrales, pero sí que cumplan los requisitos que les exigimos y que actualicen sus sistemas de seguridad. Y eso se cumple escrupulosamente. No hemos notado un aumento de los sucesos ni de la inseguridad", afirmó ayer un portavoz del CSN. Los ecologistas discrepan.Aseguran que esta reducción de costes ha supuesto un aumento del riesgo. El responsable de la campaña nuclear de la organización ecologista Greenpeace, Carlos Bravo, afirma: "Antes las eléctricas cambiaban lo que tenían que cambiar sin mirar el precio porque lo pagaba el consumidor, algo que tampoco era justo". Bravo añade que con la reforma legal, las centrales estiraron la vida de sus componentes, prescindieron de personal especializado y redujeron el dinero destinado a subcontratas para recargas e inspección, "algo que ha continuado desde 2001". "Tenemos un parque de reactores envejecido, con unas centrales que cada vez invierten menos, y la pérdida de inversión redunda en la seguridad". Los ecologistas afirman que este recorte de inversiones está detrás de incidentes como el de la central de Vandellós II, que en agosto de 2004 sufrió la rotura de una tubería de un sistema de refrigeración. Aunque el incidente no comportó ningún riesgo para la seguridad (el sistema utiliza agua de mar que no se mezcla con ningún elemento radiactivo), el CSN lo ha calificado como el suceso más grave desde 1992. Además ha abierto expediente a la central, propiedad de Endesa e Iberdrola. El CSN ha emitido un informe muy duro sobre el suceso en el que detalla que el primer informe de la central sobre la corrosión era de 1993. También señala que la central cambió la contrata de la inspección en 2002 y que desde ese momento la nueva empresa reflejaba con menor detalle la corrosión. Un portavoz de Vandellòs II negó ayer el vínculo entre la inversión y el suceso: "Nos gastamos al año 8,7 millones en inspecciones y 53.000 euros en el sistema de refrigeración averiado. Sería absurdo decir que hemos recortado de ahí, porque no es una partida importante". Este portavoz admitió: "Hemos cometido un error al subestimar la corrosión en un punto de un sistema de refrigeración, pero en cuanto lo hemos descubierto hemos comunicado toda la información al CSN". La central se encuentra actualmente en parada de recarga y no arrancará hasta que cumpla con los requisitos que le ha impuesto el CSN. Entre ellos está la realización de una prueba hidrostática (llenar la tubería de agua a alta presión para ver si aguanta). El CSN eximió a la central de esta prueba en 1999. Según la presidenta del consejo, María Teresa Estevan Bolea, la prueba habría detectado el problema.


77

Opinión. Algo peor que desollar un piojo – Soledad Gallego Díaz

El País, 06/05/05 La mejor forma de conseguir que los ciudadanos no pierdan la confianza en las instituciones no es ocultar o suavizar su mal funcionamiento, sino simplemente mejorarlas. Y quienes se empeñan en "proteger" a los ciudadanos mejorando la imagen de las cosas, y no las cosas, no les están protegiendo, sino seguramente menospreciándoles. El menosprecio, la contemplación de las propias prendas con olvido o desdén de las de los demás, es una vileza a la que están muy expuestas personas aparentemente inteligentes, cultas y educadas que se consideran, sin embargo, preferidas, y capacitadas para ocultar a las demás lo que tienen derecho a saber, con la excusa de que "se creará una alarma innecesaria". Los dirigentes públicos caen cada vez más en esa culpa, pero el último episodio grave no ha ocurrido entre ellos sino en el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN), el organismo encargado de vigilar las centrales e instalaciones nucleares de este país. Su presidenta María Teresa Estevan Bolea, nombrada en su día por el PP, envió al Congreso un informe suavizado sobre la corrosión que sufren los "trenes" de refrigeración B (roto) y A (afectado) de la central de Vandellòs II, suprimiendo los párrafos más severos del trabajo realizado por la jefa de seguridad del Consejo, Isabel Mellado. Sólo la reacción de los otros cuatro consejeros del CSN (y muy señaladamente de Paloma Sendín, también propuesta por el PP y ex directora general de Minas) hizo que la señora Estevan se viera obligada a rectificar. El informe original señala que los fallos no han afectado a la refrigeración del reactor y no han tenido consecuencias ni para los trabajadores ni para la población, pero que se ha producido "una reducción de los márgenes [de seguridad] requeridos", lo cual "no es aceptable". Algunas cosas han quedado bastante claras: 1) La presidenta del CSN fue puesta en entredicho por los consejeros de ese organismo casi desde el mismo día de su nombramiento, e incluso acusada ya en septiembre de 2002 de tomar decisiones unilaterales y de "usurpar" funciones en un órgano que debe ser colegiado. ¿Nadie pudo hacer algo para relevar a la señora Estevan de la presidencia de un organismo en el que se supone que los ciudadanos debemos confiar ciegamente, cuando ella misma no es capaz siquiera de contar con la confianza de sus colegas? 2) En la central de Vandellòs II se han detectado los siguientes fallos: debilidad en el diseño de una tubería; incorrecta vigilancia de dicha tubería; mantenimiento ineficaz de las bocas; falta de sensibilidad generalizada en la organización (es decir en la dirección y en el equipo de gestión de Vandellòs II) sobre la importancia de la seguridad del sistema de agua de servicios esenciales; problemas organizativos y deficiencias en la gestión; primacía de la producción frente a la seguridad; arranque de la central tras la rotura sin los análisis de seguridad adecuados; declaraciones de operabilidad sin adecuadas evaluaciones de seguridad; y ocultación y retardo en la información al CSN. Según el informe, las decisiones incorrectas se vienen tomando (o dejando de tomar), como poco, desde 2000. ¿Quién ha sido responsable: Juan José Pérez Torrents, el gerente de la Anav, la empresa titular de Vandellòs II? ¿Ángel Fernández, el director de la central? ¿o el presidente de Endesa, Manuel Pizarro? (Endesa tiene el 85,41% de Anav e Iberdrola, el 14,59% restante). ¿Quién ha permitido un sistema de trabajo que impide una correcta comunicación entre las secciones de la central? ¿Quién dispuso que se volviera a arrancar la central sin adecuadas evaluaciones de seguridad? ¿Quién se creyó que tenía derecho a hacer lo que hizo? Da la impresión de que lo peligroso no ha sido la corrosión de una tubería, sino la corrosión de todo un sistema de trabajo, una organización y un modelo de toma de decisiones francamente inquietante. ¿Y eso, de quien ha sido responsabilidad? ¿De un soberbio? ¿o de un codicioso que, como dice un brutal refrán belga, es capaz de desollar a un piojo para obtener su piel?


78

Cas Pràctic 6 El ocaso de los transbordadores. El lanzamiento del Discovery representa el principio del fin de las naves de la NASA, anunciado para el 2010

La Vanguardia, 27/07/05 Cuando el Columbia despegó en su última misión, el 16 de enero del 2003, los transbordadores formaban una flota vetusta pero tan entrañable como un Volkswagen escarabajo, basada en tecnología de los años 70 pero que la NASA preveía mantener operativa hasta el 2020. Después de todas las mejoras introducidas a raíz del accidente del Columbia, los tres transbordadores que le quedan a la NASA son naves viejas a punto de jubilarse. Son tantos los achaques que tienen que la Administración Bush ha decidido retirarlas en el 2010. (…) El accidente del Columbia en el 2003 llegó tras una larga serie de incidentes menores, desde un cortocircuito en el propio Columbia cinco segundos después de un despegue, que obligó a interrumpir los vuelos durante cinco meses en 1999, hasta una fuga de oxígeno en el Endeavour por un problema de corrosión, en el 2002: nada inesperado en unos cohetes formados por dos millones y medio de piezas y equipados hasta hace poco con los prehistóricos chips Intel 8086, los mismos con que se construyeron los primeros ordenadores personales en los 80. A raíz del accidente del Columbia, además, han salido a la luz otros problemas irreparables: pese a los mil millones de dólares invertidos en mejorar la seguridad, no se puede evitar que se desprendan fragmentos de espuma aislante del tanque de combustible como el que provocó la destrucción del Columbia; no se ha podido reforzar el escudo térmico para que resista el posible impacto de un gran fragmento de espuma dura; y no hay manera de reparar el escudo térmico en órbita si sufre daños graves como el del Columbia. "Este próximo vuelo va a ser más seguro que los anteriores. Pero, se tome el baremo de seguridad que se tome, esto no es seguro", declaró a primeros de julio Harold Gehman, que dirigió la comisión de investigación sobre el accidente del Columbia. (…)

Cas Pràctic 7 El acero galvanizado supone un ahorro del 30% en los costes de construcción

La Vanguardia, 16/04/05 Se puede encontrar en la mayoría de los elementos que forman parte del mobiliario urbano, en farolas, semáforos, bancos de la calle o paradas de autobuses. Es el acero galvanizado, un material que se prevé que en el futuro goce de tanto protagonismo en la construcción como el hormigón. En el caso de casas unifamiliares, el empleo de acero galvanizado puede suponer un ahorro en el coste de construcción de hasta el 30% respecto a los materiales convencionales (hormigón, hierro o acero). Sus promotores destacan otras características, como una alta durabilidad. "En España está entrando ahora. Se utiliza sólo el 20% que se fabrica, aunque en otros países europeos el porcentaje ya está entre el 50 y el 60%.Yen el futuro irá a más", explica José Luis Ruiz, secretario general de la Asociación Técnica Española de Galvanización (ATEG). El acero galvanizado se obtiene a partir de dar un baño en zinc al acero, un proceso que supone una importante reducción de costes. No hay que pintarlo con posterioridad para asegurar su buen estado. Y, según Ruiz, aunque este punto sea discutido por algunos arquitectos, es también ecológico ya que permite que se pueda reciclar. "Hasta ahora se ha utilizado en el exterior, en algunas viviendas, y también en el interior de construcciones como naves industriales, o polideportivos. El motivo, su resistencia a la corrosión", señala Ruiz. Su aplicación en viviendas, al menos la que comienza a ser más conocida, es en las llamadas casas prefabricadas. "Se consigue una buena climatización y lo más importante es su resistencia y durabilidad. Por eso también se utiliza el hormigón galvanizado en las viviendas que están en la costa y que son más sensibles a la corrosión", dice Ruiz. Según el secretario general de la ATEG, son las casas con poca altura de construcción las que mejor se adaptan a las estructuras con acero galvanizado. Dichas casas, si además cuentan con paredes de paneles prefabricados y no con ladrillos, pueden resultar mucho más asequibles económicamente. Algunas empresas ofrecen viviendas de más de 110 m2,sin incluir el parking, por 126.000 euros y la entrega de llave en poco más de seis meses. "El origen de estas casas hay que encontrarlo en países como Estados Unidos, donde las tradicionales estructuras de madera se han ido sustituyendo por las de acero galvanizado", explica Ruiz. Viviendas con una durabilidad de entre 80 y 100 años y sin problemas de corrosión. El acero galvanizado, presente también en las torres de tendidos eléctricos o en muchas vallas, quiere entrar a formar parte, y con papel protagonista, en las casas del futuro.


79

Cas Pràctic 8 Ford deberá revisar casi cuatro millones de vehículos

La Vanguardia, 09/09/05 Ford ha necesitado años y una creciente lista de costosas demandas judiciales para hacer una de las mayores llamadas a revisión de su historia, casi cuatro millones de vehículos, cuyas consecuencias pueden afectar gravemente al fabricante. Son 3,8 millones de vehículos, entre ellos algunos de los más populares fabricados por Ford -como las camionetas "pickup" F-150- y de modelos que abarcan un amplio periodo de tiempo, desde 1994 hasta el 2002. El defecto, un problema en principio menor que puede ser uno de los errores más costosos de la compañía, está en un escape del fluido del freno, que gotea a través del interruptor de desactivación del sistema de control de velocidad y cae sobre componentes del sistema eléctrico, con la posibilidad de corroerlos. Esta corrosión conduciría en algunos casos a un aumento de la resistencia eléctrica, el recalentamiento y finalmente un incendio en el interruptor. Algunos analistas han situado el coste de la llamada a revisión de los casi cuatro millones de vehículos, la cuarta mayor en la historia de Ford y la quinta en Estados Unidos, en hasta 400 millones de dólares. (…)

Cas Pràctic 9 Blansol creix amb la canonada de plàstic

Avui, 20/02/05 Cinquanta anys després d'iniciar la seva singladura, Industrial Blansol ha aconseguit que el mercat tingui assimilada la seva proposta innovadora, l'adopció del plàstic i el llautó per les instal·lacions de canonades. Radicada a Palau-solità i Plegamans, l'empresa va néixer de la unió d'esforços de dos socis, Blanco i Sol. Mentre que el primer aportava la innovació tecnològica, concretament l'estampació en calent de llautó, el segon fixava el saber fer empresarial. L'empresa va canviar de mans diverses vegades, fins al punt que va arribar a estar sota la fèrula d'una multinacional. Com explica el director gerent de Blansol, Josep Salvadó, als 90 arriba una època d'estabilitat, quan es fa càrrec de l'empresa la família Santiago, procedent de l'entorn industrial del País Basc i coneixedora del món de les canonades plàstiques. A partir d'aquell moment Blansol va entrar en una relació de complementarietat amb una altra empresa de la família Santiago, Tubesil: "Mentre que nosaltres ens dediquem a fabricar llautó, Tubesil fa canonades plàstiques, que nosaltres comprem per integrar-les en un sistema de calefacció que combina el plàstic amb el llautó", segons explica Salvadó, que defineix Blansol com a "sistemista" de calefacció d'aigua freda i calenta. De fet, el client objectiu de Blansol és el magatzem de fontaneria i calefacció que necessita solucions integrals. Amb el pas dels anys, la combinació coure-plàstic ha anat guanyant terreny al clàssic coure en les instal·lacions, amb arguments prou consistents: "L'avantatge del coure i plàstic sobre el coure és que garanteix més durada de la instal·lació, ja que no hi ha corrosió, l'aigua no es menja la canonada". Així mateix, "la instal·lació de coure i plàstic ofereix més garanties sanitàries, ja que el coure va irremisiblement a l'aigua". I a més la instal·lació és molt més senzilla, ja que ha desaparegut la necessitat d'una tasca de soldadura. Industrial Blansol ha pogut percebre els últims anys que el coure va de baixa al mercat espanyol: "Els últims tres o quatre anys hem notat un canvi de tendència i observem com els promotors immobiliaris i els arquitectes assumeixen que cal adoptar les canonades tècniques de plàstic. Hem obligat el coure a situar-se a la defensiva". Aquesta tendència, ja perceptible a l'inici del nou segle, ha fet que l'empresa experimentés un creixement notable en el volum de negoci, del 15%-20% els últims anys, fins a tancar l'any passat amb 18 milions de facturació. Per a l'any 2005 Josep Salvadó preveu un increment del 15%. Dins d'aquest creixement cal anotar l'activitat als mercats exteriors, que ja representa entre el 25% i el 30% de l'empresa. Els mercats en què ha penetrat l'empresa són Portugal, França, el Marroc i alguns indrets de Llatinoamèrica. Part de la gamma de productes també ha tingut sortida als mercats del centre d'Europa, com Alemanya i Suïssa. El creixement ha vingut també en uns temps en què l'empresa s'ha centrat en el desenvolupament i fabricació de producte propi. Així, en aquests moments totes les esperances de guanyar mercat els pròxims anys estan dipositades en la canonada multicapa, que "encara farà més mal al coure". D'altra banda, el grup ha afrontat recentment l'ampliació de la seva capacitat fabril amb la construcció d'una nova planta a Santander per allotjar-hi maquinària. És clar que Blansol ha crescut a redós de la construcció, que segueix mantenint un ritme de creixement vertiginós que algun any haurà d'alentir. Josep Salvadó té clar que "el creixement ha de disminuir d'aquí a pocs anys, però nosaltres ho podrem compensar guanyant quota al mercat, ja que progressivament es reduiran les instal·lacions de coure".


80

Qüestions sobre els casos pràctics:

Cas Pràctic 1

Quin és el procés químic que ha tingut lloc deteriorant les gàrgoles de la façana de l’Ajuntament de Barcelona?

A què es refereix el periodista quan diu que “el hierro (...) ha oxidado la piedra”? És correcta aquesta expressió des del punt de vista del procés que ha tingut lloc?

Cas Pràctic 2

Quin(s) tipus d’atacs corrosius pot patir el Prestige? De quins mètodes de protecció contra la corrosió es disposa per tal que això no passi? Quines limitacions tenen, segons la teva opinió, aquests mètodes en aquest cas concret?

Cas Pràctic 3

Descriu els processos corrosius que han tingut lloc en aquesta escultura. Cas Pràctic 4

Quina ha estat la resposta de l’aigua a l’elogi fet per Chillida? Quina opinió creus que tenen els tres ferits sobre els processos corrosius d’armadures en formigó

armat? Cas Pràctic 5

Assenyala les causes que van donar lloc a la corrosió de les canonades del sistema de refrigeració de la central nuclear Vandellós II.

Assenyala les mesures de prevenció que podrien haver evitat la corrosió de les canonades en aquest cas.

Segons l’article publicat al diari Avui el dia 11/11/05, “la planta es dotarà d'un nou sistema de refrigeració immune a l'efecte devastador de la corrosió perquè hi circularà aigua dolça”. Estàs d’acord amb aquesta afirmació?

Quines errades creus que es van produir en el procés de control i seguiment de la corrosió a la central?

Quines implicacions polítiques creus que es posen de manifest en aquest cas? Quines són les implicacions econòmiques que es deriven d’aquest incident? En la teva opinió, a través de quins mecanismes la societat civil pot participar (si creus que hi ha de

participar) en el procés de presa de decisions que afecten el seu entorn?


81


82

EH

E – 99

Classes generals d’exposició relatives a la corrosió de les armadures (Durabilitat):

CLASSE GENERAL D’EXPOSICIÓ Classe Subclasse Designació Tipus de procés

Descripció Exemples

No agressiva I Ningun - interiors d’edificis, no sotmesos a condensacions

- elements de formigó en massa - interiors d’edificis, protegits de la intempèrie

Normal

Humitat alta

IIa Corrosió d’origen diferent dels clorurs

- interiors sotmesos a humitats relatives mitjanes altes (>65%) o a condensacions - exteriors en absència de clorurs, i exposats a pluja en zones amb precipitació mitjana anual superior a 600 mm. - elements enterrats o submergits

- sótanos no ventilats - cimentacions - taulers i pilars de ponts en zones amb precipitació mitjana anual superior a 600 mm - elements de formigó en cobertes d’edificis

Humitat mitja

IIb Corrosió d’origen diferent dels clorurs

- exteriors en absència de clorurs, sotmesos a l’acció d’aigua de pluja, en zones amb precipitació mitjana anual inferior a 600 mm

- construccions exteriors protegides de la pluja - taulers i pilars de ponts en zones amb precipitació mitjana anual inferior a 600 mm

Marina Aèria IIIa Corrosió per

clorurs - elements d’estructures marines, per sobre del nivell de plenamar - elements exteriors d’estructures situades en las proximitats de la línea costera (a menys de 5 km)

- edificacions en les proximitats de la costa - ponts en las proximitats de la costa - zones aèries de dics, pantalans i altres obres de defensa litoral - instal·lacions portuàries

Submergida IIIb Corrosió per clorurs

- elements d’estructures marines submergides permanentment, per sota del nivell mínim de baixamar

- zones submergides de dics, pantalans i altres obres de defensa litoral - cimentacions i zones submergides de pilars de ponts en el mar

En zona de marees

IIIc Corrosió per clorurs

- elements d’estructures marines situades en la zona de carrera de marees

- zones situades en el recorregut de marea dics, pantalans i altres obres de defensa litoral - zones de pilars de ponts sobre el mar, situats en el recorregut de marea

Amb clorurs d’origen diferent del medi marí

IV Corrosió per clorurs

- instal·lacions no impermeabilitzades en contacte amb aigua que presenti un contingut elevat de clorurs, no relacionats amb l’ambient marí - superfícies exposades a sales de desgel no impermeabilitzades.

- piscines - pilars de passos superiores o passarel·les en zones de neu - estaciones de tractament d’aigua.


83

Classes específiques d’exposició relatives a altres processos de deteriorament diferents a la corrosió (Durabilitat):

CLASSE ESPECÍFICA D’EXPOSICIÓ Ions Agressius (mg / l)

Classe Subclasse Designació Tipus de procés DESCRIPCIÓ pH

CO2 NH4+ Mg2+ SO4

2- Residu

sec Química Agressiva

Dèbil Qa atac químic - elements situats en ambientes amb continguts de substancies químiques capaces de provocar l’alteració del formigó amb velocitat lenta (veure Taula 8.2.3.b)

6,5 - 5,5 15 - 40 15 - 30 300 - 1000

200 - 600 75 – 150

Mitjana

Qb atac químic

- elements en contacte amb aigua de mar - elements situats en ambientes amb continguts de substancies químiques capaces de provocar l’alteració del formigó amb velocitat mitjana (veure Taula 8.2.3.b)

5,5 - 4,5 40 - 100 30 - 60 1000 - 3000

600 - 3000

50 – 75

Forta Qc atac químic - elements situats en ambientes amb continguts de substancies químiques capaces de provocar l’alteració del formigó amb velocitat ràpida (veure Taula 8.2.3.b)

< 4,5 > 100 > 60 > 3000 > 3000 <50

Amb gelades Sense sals fundents

H

atac gel - desgel, Fatiga (tensions repetides)

- elements situats en contacte freqüent amb aigua, o zones amb humitat relativa mitjana ambiental en hivern superior al 75%, i que tinguin una probabilitat anual superior al 50% d’assolir al menys una vegada temperatures per sota de -5ºC

Amb sals fundents

F atac por sales fundents

- elements destinats al transit de vehicles o vianants en zones amb més de 5 nevades anuals o amb valor mitjà de la temperatura mínima en els mesos d’hivern inferior a 0ºC

Erosió E abrasió

cavitació - elements sotmesos a desgast superficial - elements d’estructures hidràuliques en els que la cota piezomètrica pugui descendir per sota de la pressió de vapor del agua


84

EHE 99: normatives d’obligat compliment en les obres de l’estat per formigó estructural.

Per el formigó no estructural no hi ha normatives preestablertes

Les especificacions de resistències s’instauren per assegurar una certa durabilitat de l’estructura de formigó, ja que podria aguantar perfectament amb menys MPa.

Durabilitat del formigó: La durabilitat del formigó és la capacitat de comportar-se davant les accions físiques i protegir

adequadament les armadures i altres elements metàl·lics dins el formigó durant la vida de servei de l’estructura.

Requisits de dosificació i comportament del formigó: (mirar taula a continuació pels valors)

Requisits generals:

Màxima relació aigua/ciment. Mínim contingut de ciment.

Requisits addicionals, segons els casos o ambients on ens trobem:

Mínim contingut d’aire contingut en la pasta. Utilització d’un ciment resistent als sulfats. Utilització d’un ciment resistent a l’aigua de mar. Resistència enfront a la erosió. Resistència enfront a les reaccions àlcali - àrid.

Limitacions als continguts d’aigua i ciment: L’elecció del tipus de ciment considerarà en funció al tipus d’ambient en el que es vulgui

realitzar la obra.

En el cas que s’utilitzin addicions en la fabricació del formigó, s’haurà de tenir en compte el coeficient d’equivalència en l’addició i el ciment.

A tals efectes es substituirà el contingut de ciment C (kg/m³) per C+KF, així com la

relació aigua/ciment A/C per A/(C+KF); essent F(kg/m³) el contingut d’addició i K el coeficient d’eficàcia o d’equivalència de la mateixa.

En el cas de les Cendres Volants es prendrà un valor de K no superior a 0,30. (es podrà admetre fins un 0,40 en edificació o 0,50 en obra pública, sempre que no es vegi afectada la resistència ni la durabilitat. [Estudis previs] ). La difusió eles cendres volants és menor dins el ciment.

Existeixen dos tipus de cendres volants: les actives (amb ena velocitat de reacció similar a la del ciment) i les passives, amb una velocitat de reacció menor a la del ciment).

En el cas de Fum de Sílice (Silica fume) es prendrà un valor de K no superior a 2, excepte en el cas de formigons amb A/C major que 0,45per exposicions H o F, o s’agafarà K=1. La reactivitat del fum de sílice és molt gran amb l’òxid càlcic.

Una constatació experimental, de caràcter indirecte, del compliment dels requisits mínims

de contingut mínim de ciment i de relació A/C màxima es porta a terme comprovant la profunditat de penetració de l’aigua sota pressió segons un assaig ja preestablert. Un formigó es considera suficientment impermeables si els resultats de l’assaig de penetració d’aigua compleixen simultàniament que: La profunditat màxima de penetració d’aigua es menor o igual que 50 mm. La profunditat mitjana de penetració d’aigua es menor o igual que 30 mm.

Veure taula al següent full.


85

CLASSE DE EXPOSICIÓ Paràmetre de dosificació

Tipus de formigó

I

IIa

IIb

IIIa

IIIb

IIIc

IV

Qa

Qb

Qc

H

F

E Màxima Massa 0,65 - - - - - - 0,50 0,50 0,45 0,55 0,50 0,50 Relació Armat 0,65 0,60 0,55 0,50 0,50 0,45 0,50 0,50 0,50 0,45 0,55 0,50 0,50

a/c Pretensat 0,60 0,60 0,55 0,50 0,45 0,45 0,45 0,50 0,45 0,45 0,55 0,50 0,50

Mínim Massa 200 - - - - - - 275 300 325 275 300 275 contingut Armat 250 275 300 300 325 350 325 325 350 350 300 325 300

de cemento (kg/m3)

Pretensat 275 300 300 300 325 350 325 325 350 350 300 325 300

Màxima relació aigua / ciment i mínim contingut de ciment

CLASE DE EXPOSICIÓN Paràmetre de dosificació

Tipus de formigó

I

IIa

IIb

IIIa

IIIb

IIIc

IV

Qa

Qb

Qc

H

F

E Resistència Massa 20 - - - - - - 30 30 35 30 30 30

Mínima Armat 25 25 30 30 30 35 30 30 30 35 30 30 30 (N/mm²) Pretensat 25 25 30 30 35 35 35 30 35 35 30 30 30

Resistències mínimes compatibles amb els requisits de durabilitat


86

Limitacions en el contingut d’aire – resistència a les gelades: Quan el formigó estigui sotmès a una classe d’exposició F, s’haurà d’introduir un contingut

mínim d’aire ocluit del 4,5%. (Actuen com a cambres d’expansió) Hi ha països on la temperatura mitjana és més baixa on quest tipus d’additius són

obligatoris en la constitució d’un ciment. (p.ex. en la ACI s’estableix per obligatorietat) El fet d’afegir l’additiu s’ha de considerar en la dosificació ja que actua com a fins i

implica una disminució de la resistència.

Resistència del formigó enfront a l’atac per sulfats: En el cas particular d’existència de sulfats, el ciment haurà de posseir la característica addicional

de resistència als sulfats, sempre que el seu contingut sigui igual o major que 600 mg/l en el caso de aigües, o igual o major que 3000 mg/kg, en el caso de sòls.

Unes altres solucions són utilitzar: Escòries d’alt forn. (a Cat ni n’hi ha, i al País Basc cada vegada menys). Pòrtland amb poc C3A (més Fe i menys alúmina). Ciments Putzolànics amb un 35~40% de putzolana natural. Ciments amb Cendres Volants.

Resistència del formigó enfront a l’atac de l’aigua de mar:

En el cas de que un element estructural estigui sotmès a un ambient que inclogui una classe general del tipus IIIb ó IIIc, el ciment a utilitzar haurà de tenir la característica addicional de resistència a l’aigua de mar. Aquest fet s’evita amb la impermeabilitat.

Resistència del formigó davant l’erosió:

Quan el formigó vagi a estar sotmès a una classe d’exposició E, es procurarà la constitució d’un formigó resistent a l’erosió. Per assolir-ho s’adoptaran les següents mesures:

Contingut mínim de ciment i màxima A/C segons valors ja vistos. Resistència mínima del formigó de 30 N/mm2. L’àrid fi haurà de ser de quars o algun altre material de la mateixa duresa o superior. L’àrid gros haurà de tenir un coeficient de Los Angeles inferior a 30. Curat prolongat, amb durada mínima a la que s’aplicaria a una formigó no sotmès a la

erosió. No superar els continguts de ciment que s’indiquen a continuació per cada grandària

màxima d’àrid D:

Resistència enfront a la reactivitat àlcali – àrid: Per evitar les reaccions àlcali – àrid s’han d’adoptar les següents mesures:

Utilitzar àrids no reactius. Utilitzar ciments amb un contingut d’alcalins, expressats com òxid de sodi equivalent

(0,658 K2O + Na2O) inferior al 0,60% de pes de ciment. El en cas que no es pugui utilitzar matèries primes que compleixin les prescripcions es

pot procedir a l’ús d’additius i s’aconsella adoptar la impermeabilització superficial.

D Contingut màxim de ciment 10 mm 400 kg/m³ 20 mm 375 kg/m³ 40 mm 350 kg/m³


87

Criteris de dosificació: (varien segons el país i la normativa) Àrids: Abans d’usar un àrid es requereix un estudi geològic previ.

Segons continuïtat de la corba granulomètrica: Avantatge: Es pot reduir la quantitat de ciment i aconseguir una gran impermeabilitat.

Segons resistència de l’àrid: Avantatge: No sempre els granulats disponibles s’adapten a una corba granulomètrica.

La EHE no contempla la dosificació per la grava (però la hauria de tenir) i sí per la sorra. La corba granulomètrica ha d’estar dins dels límits de la gràfica:

La forquilla inferior és deguda a la dificultat d’algunes zones d’Espanya de respectar les limitacions de fins exigides del 5~6%. (a causa de calcària de mala qualitat).

Limitacions a las substancies perjudicials Quantitat màxima en % del pes total de la mostra

SUBSTANCIES PERJUDICIALS Àrid fi Àrid gros Tarrons de arcilla 1,00 0,25 Partícules blanes – 5,00 Material retingut pel tamís 0,063 i que flota en un líquid de pes específic 2

0,50 1,00

Compostos totals de sofre expressats en SO32- i referits a

l’àrid sec 1,00 1,00

Sulfats solubles en àcids, expressats en SO32- i referits a

l’àrid sec 0,80 0,80

formigó armat o formigó en massa que contingui armadures per reduir la fisuració

0,05

0,05

Clorurs expressats en Cl- i referits l’àrid sec

formigó pretensat 0,03 0,03

ÀRID % MÀX De PASSA TAMÍS 0,063 mm

TIPUS D’ÀRIDS

1% - Àrids arrodonits. - Àrids de matxuqueig no calissos.

Gros

2% - Àrids de matxuqueig no calissos. 6% - Àrids arrodonits.

- Àrids de matxuqueig no calissos per obres sotmeses a les classe generales d’exposició IIIa, IIIb, IIIc, IV o bé a alguna classe específica d’exposició.

10% - Àrids de matxuqueig no calissos per obres sotmeses a les classe generales d’exposició IIIa, IIIb, IIIc, IV o bé a alguna classe específica d’exposició. - Àrids de matxuqueig no calissos per obres sotmeses a les classe generales d’exposició I, IIa o IIb i no sotmeses a ninguna classe específica d’exposició.

Fino

15% - Àrids de matxuqueig no calissos per obres sotmeses a les classe generales d’exposició I, IIa o IIb i no sotmeses a ninguna classe específica d’exposició.


88

Addicions:

Cendres Volants:

Les cendres volants són uns subproductes, concretament els residus, que es recullen per precipitació electrostàtica (amb un precipitador Cottrell) o per captació mecànica de la pols que acompanya els gasos de la combustió de carbó polvoritzat en les centrals termoelèctriques. El carbó utilitzat porta residus minerals de calci o silici que es capten en un Precipitat (camp elèctric).

La combustió del carbó es realitza a 1400ºC, temperatura on les cendra està fosa, però aquest es refreda ràpidament agafant estructura vítria (antracites i hulles) [Si-Al-Ca]

Les cendres que provenen dels lignits porten un elevat contingut de calci, present com a òxid càlcic que sovint, a causa de les altes temperatures dels forns, només es cou perla part exterior creant òxids sinteritzats amb un pel·lícula molt densa que suposa una hidratació de les partícules molt lenta, fet que implica tensions internes en l’estructura del formigó endurida quan aquest òxid s’hidrata i s’expandeix. Aquest fet es pot solucionar passant les cendres per un molí de boles.

En el ciment:

C3S/ C2S + H CSH + CH CSH + CSH’ CSH’ provinent de la reacció de la CH amb les cendres, que dona un CSH diferent a

l’obtingut en la hidratació del ciment, però amb propietats similars.

Obs: Baralla cimenteres – elèctriques per la cendra.

Prescripcions per les cendres volants: En estructures d’edificació la quantitat màxima de Cendres Volants addicionades no

excedirà del 35% de pes de ciment. Les cendres volants no podran tenir elements perjudicials en quantitats tals que puguin

afectar a la durabilitat del formigó o causar fenòmens de corrosió de les armadures. Anhídrid sulfúric (SO3) ≤ 3,0%

Els sulfats presents en la cendra poden rebaixar la durabilitat del formigó. Aquest provenen de les xemeneies de les plantes tèrmiques. (SO2

SO3 SO32- )

Clorurs (Cl-) ≤ 0,10% Afecten l’armat produint corrosió.

Òxid de calci lliure ≤ 1% Prové de cendres procedents de massissos muntanyosos calcaris. Presenten el perill

de la retracció retardada. Pèrdua al foc ≤ 5,0%

El carbó pot ser que no es cremi en un 100% i que quedi com a residu carboni pur (organic), que és un material que absorbeix amb molta facilitat els additius. Aquest fenomen no el trobarem mai en els lignits, però sí en les ulles i les antracites.

Finor: Quantitat retinguda pel tamís 45 µm ≤ 40% Com més fina és una cendra més activa és, així es aconsellable assolir grandàries

molt petites. La restricció del 40% és massa tolerable (UK és del 12%), però s’explica pel tipus de cendra present a Esp.

Índex d’activitat als 28 dies > 75% de la resistència del formigó als 90 dies > 85% de la resistència del formigó

L’índex d’activitat es basa en un primer assaig amb morter estàndard (amb quantitats fixades de ciment, aigua, ..) i després amb una substitució del 25% de ciment per cendres en una relació 1:1.

En el cas d’utilitzar Lignits, la resistència obtinguda normalment és >100%. Expansió pel mètode de las agulles de “Le Chatelier” < 10 mm

La especificació relativa a l’expansió només ha de tenir-se en compte si el contingut en

òxid de calci supera el 1% sense sobrepassar el 2,5%. Abans d’utilitzar una cendra s’ha de realitzar un assaig de comprovació de la utilització

correcte del binomi cendra – ciment que es vol aplicar.


89

La substitució de fins a un 35% de ciment per cendra suposa unes variacions significatives en les propietats del nou formigó:

Presa:

Les parelles ciment – cendra no sempre es comporten de la mateixa manera, per la qual cosa és aconsellable realitzar estudis per comprovar el comportament de la cendra utilitzada amb el ciment disponible.

Compactació:

La cendra millora la treballabilitat de la pasta de ciment. [Amb l’augment de la quantitat de cendra s’observa una millor compactació amb el “compacting factor”.]

Exsudació:

El formigó amb cendres volants dóna una exsudació menor que amb el ciment convencional. Aquest fer és degut a que la cendra és molt més lleugera que el ciment (ρcendra = 2,1 g/cm3 i ρciment = 2,1 g/cm3) i això comporta un menor precipitació i, per tant, una menor exsudació. [Obs: les fibres són millor que les cendres]

Temperatura:

La reacció del formigó amb cendra volant és molt menys exotèrmica que la del formigó sense cendra. CEl fet que les temperatures siguin inferior és molt beneficiari per les construccions o

s’utilitzi formigó en massa, ja que s’evita la retracció diferencial i les possibles fisuracions. [El primer cop que es va utilitzar el ciment amb cendres a ser als anys 30’ a la Presa Huber, a la frontera Nevada – Califòrnia – Arizona.]

Resistència:

Quantitat mínima de ciment i quantitat màxima d’aigua. (ja vist). Curat:

La reacció de la cendra volant és més lenta que la del ciment pòrtland, per la qual cosa necessita de més temps de curat. Amb les cendres la resistència a curt termini és inferior però amb un bon curat a llarg termini pot assolir valors superiors que amb pòrtland sense cendra. Prefabricació: La prefabricació disposa d’una sèrie d’avantatges deguts a treballar en

tallers: Millor compactació, més precisió en la dosificació i més temps de curat (curat túnel). Un augment de temperatura en el curat de les cendres és profitós ja que augmenta notablement les resistències a llarg termini (en el ciment només augmenten a curt termini, mentre que en períodes posteriors disminueix.)

Deformació:

Gairebé no hi ha diferencies entre el mòdul de deformació d’un formigó amb cendres respecte d’un sense cendres allarg termini. (tot i que normalment es creu que sí).

Retracció:

La retracció pot augmentar amb la quantitat de cendra addicionada. La diferencia és notable a llarg termini amb quantitats de cendra superiors al 20%. Amb un 20% de substitució no hi ha cap mena de perill.

Fluència:

La fluència augmenta considerablement amb formigons amb cendra volant. En casos en que la obra estigui sota tensions de fluència és aconsellable no substituir més d’un 20% de ciment per cendra per evitar problemes estructurals.


90

Permeabilitat: La permeabilitat en la cendra varia significativament amb el temps. En les primeres

edats del formigó la cendra és 2~6 vegades més permeable que el formigó sense cendra, però a 28 dies la el formigó amb cendra es unes 5 vegades menys permeable que el que no en té. Si es vol fer un ciment impermeable a curt termini no és aconsellable l’ús de cendres

volants (com per exemple en pilars a prop de la línia de costa), mentre que si no hi ha perill significatiu en les primeres edats és aconsellable utilitzar cendres per impermeabilitzar l’estructura.

Quantitat de Sulfats:

La variació de la quantitat de sulfa6ts en una cendra varia segons el tupis de cendra. Les cendres amb molta Si i Alúmina i baix Ca són les més aconsellables. Cal considerar també l’estat de cristal·lització de les cendres, ja que interessa unes cendres amorfes, que reacciones més i millor que les cristal·lines. L’estudi de la cristal·linitat es realitza per difracció de raig X.

Reactivitat Àlcali – Àrid:

Al considerar la reactivitat àlcali – àrid és valora el contingut de Sodi, com menys Na menys expansió i millor comportament. Tot i això aquests valors perden significat si s’afegeix cendra, ja que amb una addició del 25% de cendra l’expansió disminueix considerablement fins a valors menyspreables.

En cas que una obra es situï en un terreny on existeixi el perill de la reacció àlcali – àrid gairebé sempre s’afegeix cendra en el ciment per evitar expansions.

Fum de Sílice (Silica Fume):

El fum de sílice és un subproducte que s’origina en la reducció del quars d’elevada puresa amb carbó en forns d’arc elèctric per a la producció de silici i ferrosilici (industria metal·lúrgica).

Prescripcions pel Fum de Sílice:

En estructures d’edificació la quantitat màxima de Fum de Sílice addicionat no excedirà del 10% de pes de ciment per un possible excés de rigidesa.

Les cendres volants no podran tenir elements perjudicials en quantitats tals que puguin afectar a la durabilitat del formigó o causar fenòmens de corrosió de les armadures.

El fum de sílice ha de complir les següents prescripcions:

Òxid de silici (SiO2), ≥ 85% Clorurs (Cl-) < 0,10% Pèrdua al foc < 5% Índex d’activitat > 100%

Amb la única excepció del fum de sílice, es prohibeix l’ús d’addicions de qualsevol tipus, i en particular, les cendres volants, com components del formigó pretensat.

Additius:

En formigons armats o pretensats no podran utilitzar-se com additius el Cl2Ca ni en general productes en la composició dels quals intervinguin clorurs, sulfats, sulfits o altres components químics que puguin ocasionar o afavorir la corrosió de les armadures.

En els elements pretensats mitjançant armadures ancorades exclusivament per adherència no es

podran utilitzar additius que tinguin caràcter d’airejants.


91


92

Dosificació del Formigó

Objectiu:

Trobar les proporcions dels diferents components per aconseguir mescles que tinguin

determinades propietats fonamentals, com la consistència, compacitat [Capacitat de fluir i ser treballable], resistència i durabilitat.

A la Pràctica sempre cal efectuar la Comprovació Experimental i Corregir els possibles

errors, ja que el càlcul teòric no sol coincidir amb la pràctica. Les discrepàncies respecte la realitat s’han de tenir en compte i corregir.

El projectista tria el mètode que més s’adapta a allò que vol corregir.

Història:

Proporcions en Volum (inicis a Anglaterra): La pràctica antiga consagra “1 part de ciment : 1 part de sorra : 2 parts de grava” quan es

volia fer un formigó fort. Aquestes proporcions només funcionen bé per unes determinades granulometries de la

sorra, només en un àmbit local. Això porta a definir una classe de sorra per la granulometria Classe A (fus granulomètric en concret).

Però la majoria de sorres que no eren A estaven dins un tipus B. Per aquestes segones es van donar les proporcions: “1 de ciment : 2 de sorra : 4 de grava”.

Fuller i Thompson (USA):

En el 1907 defineixen la granulometria dels àrids ideal partint d’una quantitat de ciment coneguda i sense tenir en compte la granulometria del ciment ni la forma dels àrids.

Combinació ideal d’àrids tals que amb ells s’aconsegueix la màxima compacitat possible. Els àrids usat s per Fuller eren àrids arrodonits de dipòsits sedimentaris. La combinació s’ajusta a una corba granulomètrica del tipus:

:

L’objectiu del mètode de Fuller és adaptar les corbes granulomètriques de cada àrid (sorra,

grava i graveta) a la teòrica determinada teòricament. El mètode de Fuller funciona molt bé amb:

Formigons de 300 hg/m3 . Àrids arrodonits, no tant bé amb els de matxuqueix ja que tenen cantells esmolats. Sempre que no hi hagi gaire densitat d’armat.

Bolomey (França):

En el 1927 modifica les corbes de Fuller incorporant la granulometria del ciment i modificant les granulometries ideals en funció de la treballabilitat i de la forma de l’àrid.

La combinació s’ajusta a una corba granulomètrica del tipus:

:

El problema dels mètodes basats en granulometries ideals es que rares vegades els àrids que pots usar s’adapten a les corbes ideals.

Més endavant apareixen mètodes més precisos que permeten dossificacions amb armat, ..., i

correccions dels mètodes de Fuller i Bolomey en funció a les normatives de cada país. Tot això a més a més dels mètodes experimentals anglosaxons.

On d és la obertura del tamís i D és la grandària màxima d’àrid. D

dy 100=

On d és la obertura del tamís, D és la grandària màxima d’àrid i a és un factor de correcció basat en la forma de l’àrid D

daay )100( −+=


93

Mètode de Fuller:

El mètode de Fuller es basa en la determinació de l’àrid necessari coneixent la quantitat de ciment necessària

Limitació:

Sols àrids entre 20 i 50 mm. Ø màxima: retenció inferior al 15%, tot i que sovint es considera el 25%. No és aconsellable utilitzar Fuller amb àrids < 20 mm [P. Ex. E formigó projectat utilitza

àrids d’uns 12 mm] ni amb àrids > 50 mm ja que creen problemes estructurals utilitzant la dosificació de Fuller.

Ciment ≥ 300 kg/m3. Quan no hi ha seccions fortament armades. [P. Ex: Les lloses o taules dels ponts solen estar

molt armades]. En el cas dels armats densos el mètode de Bolomey sí que va bé.

Consistència:

En el cas d’obtenir un con entre valors de consistència és apropiat anomenar els dos valors entre els que s’ha quedat l’assaig i no arrodonir a un valor enter. [Els laboratoris de control són privats i normalment arrodoneixen el un valor enter].

Aigua:

A part de les consideracions anteriors respecte la resistència i la consistència relacionades ambla quantitat d’aigua també existeixen unes altres correccions:

També és convenient considerar la possible humitat que pot tenir l’àrid a l’hora de calcular l’aigua necessària en la dosificació.

Existeixen unes possibles modificacions per variar la consistència del formigó.

Consistència Con d’Abrams (cm) Taula de Sacsejades (I.C.) Seca 00 ~ 02 00 ~ 30 Plàstica 03 ~ 05 30 ~ 50 Blana 06 ~ 09 50 ~ 70 Fluida 10 ~ 15 70 ~ 100

Canvi de condicions Modificacions en la quantitat d’aigua Per cada 25 mm d’augment o disminució de l’assentament

± 3% en aigua

Sorres artificials amb cantells + X litres d’aigua Formigons poc treballables (paviments, ..) - Y litres d’aigua

Assentament

Les variacions s’expressen a partir d’un assentament ideal d’1 cm.

El valors de variació són L d’aigua afegits a la pasta de ciment per cada m3 de ciment.

La quantitat d’aigua depèn dels àrids, per tant pot variar de la calculada teòricament.

Les taules de correcció es

basen en valors estadístics, per la qual cosa no asseguren una variació de resistències tabulada .

Per bombejar cal un con de 9 cm.


94

Mòdul Granulomètric (Mg): [a USA mòdul de finor (abans)]

Xifra que Quantifica l’àrea limitada per la corba granulomètrica, l’eix d’ordenades i l’horitzontal que correspon al 100%, en representació semilogarítmica.

És la suma dels % Retinguts Acumulats en els tamisos fins el de màxim Ø, tot dividit per 100. % Retingut Acumulat = 100 – % Retingut Passa

Serveix per combinar corbes granulomètriques per dosificar formigons.

Dona una idea de la grandària mitja de l’àrid d’un formigó. Les mescles que tenen el mateix Mg

necessiten la mateixa quantitat d’aigua, i si C és constant, donen el mateix assentament i la mateixa resistència.

Obs: un mòdul granulomètric no representa una corba granulomètrica, ja que hi ha infinites de diferents que poden tenir el mateix mòdul.

Determinació de la Corba de Fuller:

A partir d’una grandària màxima

determinada “D” donem valors a les obertures del tamís i obtenim la corba de Fuller:

L’objectiu és adaptar les tres

corbes granulomètriques (arena o sorra, grava i graveta) a la corba de Fuller. Aquest procediment es pot fer: Per tanteig. Plantejant un sistema

d’equacions on la condició és la corba de Fuller i resoldre’l. Normalment es ressolen per iteració.

Expressió dels resultats:

La dosificació en obra es dóna en kg de cada component. S’ha de considerar que la suma del volum dels components no correspon al volum total del

formigó que necessitem ja que es produeix una retracció:

Per obtenir 1 m3 de formigó són necessaris 1,025 m3 de components.

Crítiques a la dosificació de Fuller:

Normalment la Fuller sobredosifica amb aigua, per al qual cosa es perden resistències i durabilitat Això és degut al desconeixement en l’època en que es va instaurar el mètode dels additius i de

les tècniques utilitzades per pastar.

Fuller utilitzava grans de sorra i graves naturals provinents de l’extracció directa de graveres. Avui en dia (des de fa 40 anys) hi a normatives que ho prohibeixen i es procedeix al

matxuqueig. Aquesta tècnica suposa que els àrid obtinguts tenen cantells i no són arrodonits.

En els formigons poc treballables és bo restar aigua, ja que aquest seria excessiva. Per exemple: en els formigons de paviments la compactació es realitza amb corrons

vibratoris, fet que permet que la pasta estigui bastant seca.


95

Exemple de procediment de dosificació:

Aigua: Considerar l’aigua necessària amb les corresponents correccions.

Mòdul granulomètric:

Msorra = (30+45+56+73+84)/100 = 2.88 Mgraveta = (35+100+100+100+100+100+100)/ 100 = 6.35 Mgrava = (8+100+100+100+100+100+100+100+100)/100 = 8.08

Sistemes d’Equacions: Fraccions T1 + ... + Tn i Mòduls de n grandàries

El mòdul de les corbes tècniques de Fuller per cada grandària (38 i 19 en el nostre cas)

són

Mt2 = (T1m1 + T2m2) / (T1 + T2) = (29.3 + 50 + 64.8 + 75 + 82.5 + 87.7 + 91.4) / 100 = 4.81 Mt3 = (T1m1 + T2m2 + T3m3) / (T1 + T2 + T3) = (29.3 + 50 + +64.8 + 75 + 82.5 + 87.7 + 91.4+ + 94) / 100 = 5.75

T1 = (T1 + T2)(m2 – mT2) / (m2 – m1) T1 = 71.25 · (6.35 – 4.81) / (6.35 – 2.88) = 31.6% T2 = (T1 + T2)- T1 T2 = 71.25 – 31.6 = 39.6% T1 + T2 = 100 · (m3 – mT3) / (m3 – mT2) T1 + T2 = 100 · (8.08 – 5.75) / (8.08 – 4.81) = 71.25% T3= 100-(T1 + T2) T3 = 100 – 71.25 = 28.8%

El volum de la pasta és menor que la suma de l’aigua i el ciment.

(Per obtenir 1m3 de formigó endurit calen 1025 dm3 de components)

Relació a/c = 0.57 en pes i Àrid amb Ø màxima = 76 mm


96

Segons la fórmula de Fuller obtenim les ordenades per cada tamís:

Dosificar un formigó amb 300 kg de ciment / m3 de formigó per bombejar. Granulometries dels àrids arrodonits:

La Ø màx. de l’àrid és 38 mm (reté menys d’un 25% de la grandària més gran), tot i que es consideri. [abans es considerava el 15%] Anteriorment hem vist que per 38 mm corresponen 166 l/m3 d’aigua, però aquest valor cal corregir-lo 166 + [(90 - 76)/25] · 3 · 166/100 = = 169 L

On d és la obertura del tamís i D és la grandària màxima d’àrid.

Ddy 100=

Obertura del tamís


97

Volum relatiu dels àrids = 1025 – [(300/3.05) + 169] = 757.6 dm3

Multiplicant per les proporcions tindrem els volums de cada àrid:

Sorra: 0.316 · 757.6 = 240 dm3

Graveta: 0.396 · 757.6 = 300 dm3 Grava: 0.288 · 757.6 = 218 dm3

Tenint les densitats, podem passar a pes, obtenint el quadre final de la dosificació:

ciment aigua


98

Mètode de Bolomey:

El mètode de Bolomey segueix el mateix procediment que el de Fuller, però vaira el % de cada àrid ja que es te en compte la granulometria del ciment.

D’altra banda també s’ha de tenir en compte que el càlcul de les ordenades també varia, i s’adapta

l’equació:

Taula de valors de l’ordenada segons el valor de a

Dosificar un formigó amb 350 kg

de ciment / m3 de formigó per bombejar. Granulometries dels àrids arrodonits:

La Ø màx. de l’àrid és 38 mm (reté menys d’un 15% de la grandària més gran), tot i que es consideri. [abans es considerava el 15%] Aigual necessària 166 l, amb rectificacions: 161 l

Tipus d’àrid Consistència del formigó Valor de a Rodat Seco - plàstica

Blana Fluida

10 11 12

De Matxuca Seco - plàstica Blana Fluida

12 13 14

Ddaay )100( −+= On d és la obertura del tamís, D és la

grandària màxima d’àrid i a és un factor de correcció basat en la forma de l’àrid

Obertura del tamís


99

Volum relatiu dels àrids = 1025 – 161 = 864 dm3


Sorra /Arena Grossa: 0.201 · 864 = 174 dm3

Sorra /Arena Fina: 0.087 · 864 = 075 dm3 Grava: 0.579 · 864 = 500 dm3 Ciment: 0.133 · 864 = 115 dm3


- En aquest cas no exposaré el mètode les mòduls granulomètrics.

aigua


100

y Mètode de Rothfuchs (mètode gràfic):

Passos a Seguir:

1. En un paper quadriculat o mil·limetrat dibuixar un rectangle 2 x 1 ( h x 2h) i traçar la seva diagonal (de la cantonada superior esquerra a la inferior dreta)

2. Dividir l’eix de les ordenades en 100 parts ( 0 ~ 100%)

3. Considerar x=0 per l’àrid de grandària màxima.

4. Segons els valors de la ordenada obtinguts per la distribució granulomètrica corresponent

(Fuller, Bolomey, ..) determinar xi de cada tamís segons la projecció sobre la diagonal.

5. Representar les corbes granulomètriques de la grava, la graveta i la sorra amb les dades obtingudes en ( 4. ).

6. Unir el final d’una corba amb el començament de l’altre. (cap i cua). Obtenim dues

interseccions amb la diagonal que corresponen a un determinat % (y1 , y2)

7. Obtenim els % de cada component: (100% - y1 ) = % de Grava. ( y1 - y2 ) = % de Graveta. ( y2 - 0 ) = % de Sorra.

Obs: en el cas de Bolomey s’ha de considerar el 100% de la gràfica com el (100% -

%de ciment) de la dosificació,

y

x

100% -

90% -

80% -

70% -

60% -

50% -

40% -

30% -

20% -

10% -

0% -

Grava

Graveta Sorra

y1

y2

2h

h


101

Adaptacions a la normativa EHE-99:

S’especifica la quantitat de ciment mínima per assolir una resistència mínima i una certa durabilitat del formigó.

Normalment les resistències mínimes s’assoleixen amb quantitats de ciment inferiors a les

preestablertes, però la major quantitat de ciment es justifica al tenir en comte la durabilitat d’aquest al llarg del temps. Un augment de ciment major densitat de la pasta major impermeabilitat

major protecció contra els agents exteriors major durabilitat. Cal tenir present al ajustar la dosificació final que a molts països (inclòs el nostre) la

resistència oficial del ciment és la mínima, i pot ser molt freqüentment que la real sigui superior.

En els assaig de durabilitat és fonamental saber la quantitat de ciment utilitzada en la obra,

ja que un desconeixement d’aquest pot suposar assolir errors superiors al 10% (fins 20%).

Per tant, la quantitat de ciment es coneix prèviament per les prescripcions de la EHE – 99:

Tot i que les modificacions permeten assolir valor molt fiables sempre s’ha de realitzar una comprovació en el laboratori per verificar si realment el que hem calculat és correcte. Concretament comprovarem:

Con d’Abrams. En cas de falta de fluïdesa afegirem un additiu. Resistències.


102

Fuller adaptada:

Fuller sobredosifica amb aigua, per la qual cosa la EHE-99 modifica les quantitats d’aigua (relació a/c màx.) i de ciment (quant. mín. de ciment).

Sempre partirem dels valors establerts per la EHE-99 segons l’ambient en el que ens trobem. En cas de necessitar més fluïdesa o treballabilitat afegirem additius fluïdificants. [en cas de voler menys consistència disminuirem la quantitat d’aigua].

Exemple: (és el mateix que Fuller sense adaptar però amb les corresponents modificacions)

Ara la quantitat d’aigua a utilitzar serà de 150l. (correspon a una ambient IIIa [a/c = 0.5] i

a 300 kg de ciment).

Volum relatiu dels àrids = 1025 – [(300/3.05) + 150] = 776.6 dm3


Sorra: 0.316 · 776.6 = 245.0 dm3

Graveta: 0.396 · 776.6 = 307.5 dm3 Grava: 0.288 · 776.6 = 223.7 dm3


Bolomey adaptada:

De la mateixa manera que amb Fuller, en Bolomey hem de considerar els valors establerts en la EHE-99.

La operativa és igual que en cas anterior excepte:

Considerar l’equació corresponent al mètode de Bolomey.

Notar que en el volum total d’àrid Bolomey inclou el % de ciment, dada que hem de tenir

present al calcular els volums.

Veure observació en el mètode de Rothfuchs.

ciment aigua

98

150

223.7

307.5

245

776.6

1025

300

150

593

814

650

-

-

288

150

348.6

493.8

419.9

-

-


103

Exemple de dosificació Fuller:

Dosificar un formigó pel mètode de Fuller de 350 kg/m3 de ciment amb àrids arrodonits que tenen les següents granulometries:

Es vol una consistència blana (corresponent a un con de 6 a 9 cm) TAMIS (Corba de Fuller)

SORRA GRAVETA GRAVA

38 100 100 100 19 100 100 34.8 9.5 100 60 11 4.76 83.3 40 0 2.38 66.7 20 0 1.19 46.7 14 0 0.59 35 8 0 0.297 28.7 0 0 0.143 20 0 0

Grandària màxima del àrid (<15% retingut) 38 mm

Es fa el gràfic de Rothfiuchs i surt: 45% de grava. 25% de graveta. 30% de sorra.

Es dibuixa la corba de Fuller i la obtinguda, i es comparen:

% 38 19 9.5 4.76 2.38 1.19 0.59 0.297 0.143 Grava 45 45 15.7 5 0 0 0 0 0 0 Graveta 25 25 25 15 10 5.0 3.5 2 0 0 Sorra 30 30 30 30 25 20 14 10.5 8.6 6 Corba prob. 100 100 70.7 50 35 25.0 17.5 12.5 8.6 6 Corba Fuller per Ø max=38

100 70.7 49.9 35.2 24.8 17.5 12.3 8.6 6

Les dues corbes són iguals.

S’han de considerar les condicions ambientals per saber quina serà la quantitat d’aigua a afegir.

Suposem que estem en un ambient IIIa: EHE 99 Clima IIIa a/c = 0.5 a = 175 L

Volum relatiu dels àrids = 1025 – (350/3.05 + 175) = 735.2 L

Volums de grava, graveta i sorra:

0.54*735.2 = 330.8 dm3 0.25*735.2 = 183.8 dm3 0.30*735.2 = 220.6 dm3

Composició final en pes

Material % volums densitat Pes (kg) Pes del l Volum c. Ciment 114.8 3.05 350 1.12 312.5 Aigua 175 1.00 175 1.00 175 Grava 45 330.8 2.65 876.6 1.70 515.6 Graveta 25 183.8 2.65 487.1 1.65 295.2 Sorra 30 220.6 2.60 573.6 1.55 370.1 Àrid total 100 735.2


104

( )2

1

1 nci cm

i cm

f fn f

δ=

−= ∑

Dosificació del Formigó II

Dosificació ACI: [ACI: American Concrete Institude]

Dosificació basada en la no disponibilitat de granulometries d’àrids que s’adaptin a una corba.

El mètode de la ACI es basa en la Resistència del formigó com a paràmetre fonamental, mentre

que no li dona gaire rellevància a la resistència dels àrids.

El mètode ACI s’utilitza als USA i alguns llocs d’ Europa, però s’ha de considerar que es basa en taules de ciment americanes.

La dosificació ACI es basa en el coeficient de variació de les resistències.

δ → 10% Condició excel·lent. [bona obra] δ → 15% Condició mitjana. δ → 20% Condició regular.

Varia segona diferents factors. Per exemple, l’estucatge [Lit: revestir amb estuc], que

consisteix en una segregació que fa que els fins caiguin capa avall.

La resistència del formigó que es contempla en aquesta dosificació no és la mitja obtinguda en els assaigs, sinó una establerta de manera que s’obté un 95% de confiança.

Mètode ACI 211

Elecció de l’assentament. El normal s’acosta als 8 cm. (En condicions d’obra bones millor

treballar amb assentament més baixos). Elecció de Ø màx. segons la utilitat o posterior ús del formigó. Normalment es pren Ø=20mm. Estimació de la quantitat d’aigua i aire segons una taula.

A Europa seria convenient prendre valors de la EHE, tot i que es pot seguir fil per randa la ACI i veure si al final es compleixen els mínims de resistència.

Aquí no considerarem els valor de l’aire a afegir ja que normalment no tenim problemes de gel – desgel, a més, per millorar la treballabilitat afegirem additius fluïdificant i no airejants.

Quantitat de ciment. Estimació de l’àrid gros.

La granulometria de l’àrid fi és molt més condicionant que la de l’àrid gros. Estimació de l’àrid fi.

Es realitza pel mètode del pes, segons una taula.

La normativa ACI exigeix una determinació experimental de manera que es poden dur a terme correccions de la quantitat d’aigua o ciment, tot i que sempre és millor realitzar les correccions amb additius.

La determinació experimental es basa en el trencament de 5 provetes:

Es trenquen dues a 7 dies. (resultat interessant per el desencofrat) Es trenques les altres tres a 21 dies.

Existeix una variació amb el formigó per paviments, on es treballa a flexotracció.

(1 1.64 )ck cmf f δ= −


105


106

Gestió mediambiental dels materials

Definicions inicials:

Medi Ambient:

Suma dels factors que afecten els humans, animals i plantes. Biosfera:

Combinació complexa d’elements biòtics i medis no vius (abiòtics) com l’aigua, el sòl o l’atmosfera.

Els elements biòtics i abiòtics es regulen i es desenvolupen a través de processos que tenen un caràcter cíclic.

Procés cíclic: és aquell procés en el que el principi és igual al final. (ex: C, O, N, S, ..) Cicle de l’aigua: Precipitació → Transport → Evaporació → Condensació →

Precipitació → ...

L’home afegeix processos no naturals, sobretot després de la revolució industrial, que suposen canvis irreversibles en els cicles naturals (extracció de matèries primeres, ...)

Gestió mediambiental:

Inicialment es va pensar en el desenvolupament zero: no evolucionar i tornar enrere. Es va veure que era un sistema incompatible i insostenible amb el model se societat actual.

A finals del SXX, en una conferencia de la ONU sobre medi ambient la ministra noruega

Brundlandt va definir el concepte de sostenibilitat. La sostenibilitat es basa en evitar la transferència, és a dir, continuar amb el desenvolupament

però no transmetre problemes ambientals a generacions futures, altres àrees ni altres cossos. L’objectiu és evolucionar sense condicionar el futur.

El desenvolupament sostenible és aquell que cobreix les necessitats de la generació actual sense posar en perill o condicionar les necessitats de les generacions futures tant en el medi ambient com en altres aspectes socials i econòmics.

Hipòtesis bàsiques per evitar la transferència: No es permet una disminució de la qualitat ambiental. Eliminació de les causes en origen en lloc de combatre els símptomes en relació amb els

impactes. S’ha de buscar el motiu fonamental del problema. El que pol·luciona paga. Prevenció de la pol·lució innecessària. (P. Ex.: Combustió de residus) Utilitzar les tècniques més ràpides per combatre els danys a l’ambient, però s’ha de

procurar l’eficàcia davant de la rapidesa. Aïllament, gestió o control d’accions per eliminar el residus. Aplicar una estandardització intencionada basada en mesures respecte a l’origen. Integrar els aspectes ambientals en les accions objectiu. (projectar ambientalment)

Els problemes ambientals s’han de resoldre en el temps d’una generació (20~25 anys)

Mecanismes de retroalimentació per combatre el mecanisme de transferència: El desenvolupament sostenible precisa d’un feedback ( retroalimentació) en origen basant en:

Tancament de cicles: Matèries primes → Procés de manufactura → Producte → Residu → Matèries primes

Estalviar energia: Eficàcia energètica i us de fons d’energia durable i/o renovable.

Augment de la durabilitat: Promoció de la qualitat en la cadena o el cicle i prolongar l’ús dels materials en el cicle

econòmic.


107

Management: (gestió) Consisteix en reduir i controlar el risc en un compromís entre continuar activitats i controlar la

probabilitat d’un impacte negatiu. Un element principal és harmonitzar el projecte i l’elecció dels materials de construcció. Chain Management de la construcció:

Dirigit pel cicle dels materials de construcció. Risk Management: (gestió del risc)

Estandardització de la qualitat ambiental.

Aspectes ecològics:

Avaluació ecològics dels materials primaris: Formigó: Ciment + Àrid + Filler + Additius (+ Aigua ) [+ Addicions].

Densitats dels elements del formigó varien entre: 1500 kg/m3 – 2800 kg/m3 en comú Problema ambiental en la fabricació del formigó, ja que per cada tona de clínquer es

llencen 408 kg de CO2. Emissions en extracció i clinkerizació:

Consum energètic: Dominat pel forn de clinker (≈70%) Matèries primeres (10%) Matxuca del clinker (20%)

Sorra i Grava:

Las emissions més importants són (SO2, hidrocarburs, ..) del diesel en l’extracció i el transport, i també pols si hi ha matxuca. [Sorra i Grava natural: 0.11 – 0.18 GJ/t]

Fabricació del Formigó:

Emissions en el transport (SO2, diesel) Energia de formigó: 0.004 GJ/t Residus en el formigó:

Arena 1.83 Kg/t Grava 0.77 Kg/t Cemento 0.02 Kg/t

Producció fallida 2.99 Kg/t Formigó residual 9.51 Kg/t Agua de rentat 19.24 Kg/t

Conclusions:

El formigó disposa de Matèria prima abundant i pot assegurar un alta Durabilitat, a més a més Pot reciclar-se. Finalment cal considerar que és Enèrgicament moderat

Cicle vital d’un material:

Extracció de matèria prima. Producció del material. Construcció. Ús. Manteniment. Demolició → Residu Tractament del Residu

Clinkerizació (kg/t) clinker Matxuca (kg/t cemento) CO2 408 33 NOx 3 0.09 CO 0.5 0 Pols 0.21 0.12 SO2 0.09 0 F 0.0002 0 Metalls Pesats 0.00005 0

Contingut energètic en el ciment:

Ciment Pòrtland 3.6 GJ/t Ciment Pòrtland amb cendra volant 2.5 GJ/t

Ciment de forn alt 4.2 GJ/t


108

Avaluació del impacte ambiental: Metodologia Holandesa: LCA (Life Cycle Analysis).

Quantifica tots els efectes ambientals (sempre fa falta una simplificació) aplicat a la Industria de la Construcció. Es contemplen àmbits com: Les Matèries Primeres, la Pol·lució, els Residus, els Danys, l’Energia i la Reutilització.

Tot segons valors ja establerts.

Construcció Sostenible: La construcció sostenible és una forma de projectar i construir que permeti la salut humana i

estigui en harmonia amb el medi ambient. Es busca alta durabilitat (resistir sense pèrdua de funcionalitat en un cert temps) i sostenibilitat

(propietat d’un material, una construcció o un element constructiu que no afecta als éssers vius, l’ús de matèries primeres, l’energia, la creació de residus, ... La construcció afecta al medi ambient contaminant de la següent forma:

Capa Ozo 25% Efecte hivernacle 33% Acidificació 10% Nutrificació 16% Augment de nutrients desequilibri. Distribució de substancies nocives 09% Metalls, contaminants orgànics, ... Residus 40% Abocador no es la solució. Reciclar.

I afecta també en aspectes no contaminants: Pol·lució per soroll en els edificis 30% Clima interior en els edificis 80% Danys al paisatge per extracció 500 Ha/any Consum de matèries primeres 150 MTon

L’objectiu final és aconseguir “l’abocador zero” i el 100% de reciclatge, com ja ha es fa

a Holanda. Percentatge de reciclat de residus de construcció i demolició (C&D) a Europa:

En l’àmbit espanyol Catalunya és qui recicla més (un 10%), seguida per Madrid, tot i que molt per sota del que es va proposar el govern (assolir un reciclatge del 40%).

Grans solucions:

Reciclar: s’ha de procurar el màxim tancament del cicle de la construcció en relació a les metries primeres:

Disminució en l’ús de matèries primeres no renovables i promocionar l’ús de les renovables o secundàries.

Preveure la creació de corrents de residus i promocionar l’ús dels residus de construcció demolició (RCD’s)

Disminuir el volum de residus en la construcció. Recol·lecció separada de residus químics i indicar quin és el seu grau d’incidència en el

medi ambient. Reutilitzar RCD’s. Seguir un procés de demolició selectiu, tot separant els diferents tipus de materials en la

demolició.

País % de C&D Reciclat País % de C&D Reciclat Àustrica No hi ha dades Islandia 0 Bèlgica 45 Italia 10 Alemanya 55 (↑) Noruega, [Oslo] 7.5 Dinamarca 80 Holanda 61 – 90 (ara quasi 100%) Finlàndia 15 – 30 Portugal No hi ha dades França 15 – 20 Suecia 2 Grècia No hi ha dades España 5 – 10 Irlanda 8 UK 60 baix nivell, 4 alt nivell


109

La demolició:

Una demolició fraccionada, és a dir, separant les diferents components del total permet un posterior reciclatge de les substancies. A més a més és relativament més econòmic ja que com millor sigui l’estat de les substancies que arriben a l’abocador menor és el cànon a pagar. [com més barrejat és el residu, més car és l’abocador; en el cas que la separació sigui bona, el cost d’abocador és zero, només es paga el transport].

Sovint el formigó reciclat s’utilitza com a subbase en paviments, però en aquest casos s’estan infravalorant les seves propietats.

En una demolició amb tractament posterior es pot arribar a recuperar quasi totalment l’àrid original, àrid amb igualtat de condicions que el de matxuca i considerant un Ømin de 2 mm [mida de la sorra]. La pasta de ciment és un material molt bo per una posterior clinquerització de nou.

El millor sistema de reciclat és aquell que es realitza a peu de demolició. Abans de reciclar s’han de controlar una sèrie de paràmetres per garantir la viabilitat del

reciclatge: Presència de reacció Àlcali - Àrid. Presència de Clorurs. Adsorció menor del 7 %. (aigua absorbida menor del 7%). Assaig de Los Angeles (desgast dels àrids en un moli de boles). Obs, després d’un incendi

els àrids i el formigó poden ser molt sensibles al desgast.

Sistema Proposat per reciclar el formigó:

Taula de Relació de C&D amb la població de cada país de la UE (15):

País Població en milions

C&D en milions de T.

C&D en Kg/càpita/any

Residus sòlids urbans en Kg/cap/any

Bèlgica 10 7.8 - 8 700 – 800 350 Dinamarca 5.2 2.3 - 5 460 – 1000 460 Finlàndia 5 1.6 320 620 França 56 20 - 25 340 – 450 460 Grècia 10 - - 300 Holanda 15 13 - 14 870 – 930 500 Irlanda 3.5 2.5 710 310 Itàlia 58 35 - 40 600 - 690 350 Luxemburg 0.4 2.7 6670 450 Portugal 10 - - 300 Espanya 39 11 – 22 280 – 560 320 UK 57 50 – 70 880 – 1220 350 Suècia 8.5 1.2 140 370 Alemanya 79 52 – 120 840 – 1900 360 Àustria 7.7 22 2860 430 UE total 364 221 - 334 607 - 918 390

(*) Separació entre sorra i grava i filler

(*)


110

Metalls – Característiques Generals

Les aplicacions dels metalls com a materials en enginyeria civil són molt variades, des de grans

elements estructurals fins a petites peces (cargols, “cerrojos” o “remaches”) i pel formigó armat.

Propietats dels metalls a tenir en compte: Dóna la resistència a tensió que el formigó no te per si sol. Dóna alta duresa als formigó. Són mal·leables: podem donar la forma que vulguem (planxes, cables, fils, ...). Tenen Soldabilitat (Weldability): Capacitat de poder soldar-los. Condueixen el corrent elèctric. Són conductors tèrmics.

Desavantatges que presenten.

Són vulnerables a processos corrosius (veure capítol de corrosió). Si els utilitzem els hem de protegir de la humitat, de l’ambient en general.

En servei, se’ls demana:

Que resisteixin altes tensions a tracció i a compressió. Que resisteixin a càrregues sobtades i forces variables, és a dir, que presentin resistència a

la fatiga. Per tal de complir aquests requeriments de servei, les propietats dels metalls purs es

poden millorar afegint altres elements en petites quantitats formant aliatges.

Enllaç Metàl·lic: En la natura podem trobar tres tipus d’enllaços entre elements (que donen estabilitat electrònica de

capa tancada): Enllaç Covalent: Es produeix entre elements iguals o semblants. Comparteixen electrons. Es

sol donar entre elements amb molts electrons, com ara els gasos. [Cl2, I2, O2, ...] Enllaç Iònic: Es produeix entre elements amb electronegativitats força diferents i es manté per

forces electrostàtiques. [NaCl]

Enllaç Metàl·lic: Es produeix entre elements amb pocs electrons de valència (1~3). Els nuclis del sòlid es queden agrupats mentre comparteixen electrons deslocalitzats, que

s’anomena “núvol d’electrons”, que estabilitzen l’estructura global, i al qual s’atribueixen moltes de les propietats d’aquests materials, com per exemple, les seves conductivitats elèctrica i tèrmiques.

Estructura metàl·lica: (Molt important en la duresa del metall) Els metalls i els aliatges presenten una estructura cristal·lina composada de molts petits grans.

Els àtoms s’ordenen en una xarxa cristal·lina amb un motiu regular segons un patró tridimensional repetitiu.

La unitat estructural fonamental que defineix l’estructura cristal·lina és la cel·la unitat, que defineix la geometria de la xarxa i la posició que hi ocupen els àtoms.

Diversos factors poden afectar l’estructura de gra d’un metall, entre ells, el tipus de metall o d’aliatge, el procés de conformació i el tractament tèrmic al que hagi estat sotmès.

Les propietats finals del metall depenen en gran mesura d’aquesta estructura de gra.


111

Tipus d’estructura cristal·lina:

L’enllaç metàl·lic és de naturalesa no direccional, per la qual cosa no hi ha restriccions pel que fa al número i posició dels àtoms veïns més propers.

Aquest fet porta a estructures cristal·lines amb els àtoms molt densament empaquetats. La majoria dels metalls més corrents cristal·litza en una de les tres estructures següents:

Estructura o Xarxa Cúbica Centrada en el Cos (BCC, Body Centred Cubic)

Els àtom ses localitzen en els vuit vèrtexs i en el centre del cub. Cristal·litzen en aquesta estructura el ferro, el crom i el tungstè.

Estructura o Xarxa Cúbica Centrada en les Cares (FCC, Face Centred Cubic)

Els àtoms es localitzen en els vèrtexs i en el centre de totes les cares d’un cub. Cristal·litzen en aquesta estructura el coure, l’alumini, la plata i l’or.

Estructura o Xarxa Hexagonal Compacta Prismàtica (HCP, Hexagonal Close – Packet)

Les bases de la cel·la unitat en aquest tipus d’estructura consisteixen en dos hexàgons regulars amb àtoms en els seus vèrtexs i un en el centre. A mitja alçada de la cel·la es disposen tres àtoms més.

Aquestes distribucions són el més compacte possible. Presenten capes de motius regulars (fet que implica la mal·leabilitat).

BCC

FCC

HCP


112

Polimorfisme / Al·lotropia (en cas d’un sòlid elemental):

Propietat que presenten alguns metalls que tenen més d’una estructura cristal·lina, que varia segons la pressió i la temperatura exteriors. Aquets fet implica que les propietats d’un mateix metall són diferents, segons la seva estructura.

P.ex.: el Fe Pur passa de BCC a FCC a 912ºC.

Estructura Granular: Les propietats dels metall també depèn de la seva estructura granular, és a dir de la forma i la

mida dels grans del metall. L’estructura del gra ve determinada segons el tractament tèrmic al que s’ha sotmès el

metall en si. Segons com tractem tèrmicament un metall podem obtenir propietats diferents.

Aliatges:

Són dissolucions sòlides d’un metall en un altre amb la finalitat de millorar el metall solvent (introduint un metall solut). Es canvien les propietats d’un metall introduint àtoms d’un altre metall.

La majoria dels metalls no són totalment purs, sinó aliatges en les quals s’afegeixen àtoms de diferents elements per tal d’aconseguir un metall de característiques específiques, principalment per a millorar la seva resistència mecànica i resistència a la corrosió. En addicionar àtoms d’impureses a un metall es forma una dissolució sòlida o una segona fase, depenent del tipus d’impuresa, la seva concentració i la temperatura de l’aliatge.

Hi ha dos tipus d’aliatges:

Solució intersticial: el metall solut té una mida molt més petita que el metall solvent i es

col·loca en els intersticis de l’estructura del metall solvent.

Solució substitucional: el metall solut té una mida similar al del solvent i es produeix una substitució en la xarxa cristal·lina del metall solvent. Aquest tipus d’aliatges crea petites deformacions en l’estructura cristal·lina del metall.


113


114

Metalls – Propietats Mecàniques

Els materials es seleccionen per a diverses aplicacions i components adequant les propietats del material a les condicions funcionals requerides pel component. El primer pas en el procés de selecció requereix que s’analitzi l’aplicació per a determinar les característiques més importants que ha de posseir el material. Una vegada determinades les propietats requerides es selecciona el material apropiat usant dades que es troben en els manuals. No obstant això, s’ha de saber com s’obtenen les propietats llistades en els manuals, saber què signifiquen i adonar-se que resulten de proves ideals que poden no aplicar-se amb exactitud a casos reals de l’enginyeria.

Assaig de tracció - deformació:

Quan a un cos se li aplica una força externa que tendeix a canviar la seva forma o grandària, el

cos es resisteix a aquesta força. La resistència externa del cos es coneix com esforç (stress) i els canvis en les dimensions del cos que l’acompanyen es diuen deformacions o allargaments (strain). L’esforç total és la resistència interna total que actua en una secció del cos. En general, la quantitat determinada és la intensitat d’esforç o esforç unitari, definida com l’esforç per unitat d’àrea. L’esforç unitari generalment s’expressa en unitats de Megapascals (MPa) o Lliures per polzades quadrada (psi).

L’assaig de tracció – deformació consisteix en:

Una mostra o proveta preparada específicament es col·loca en els caps de la màquina de prova

i se sotmet a una càrrega axial per mitjà d’un sistema de càrrega de palanca, mecànic o hidràulic.

Si es coneix l’àrea transversal original de la mostra, pot calcular-se l’esforç desenvolupat a

qualsevol càrrega. La deformació o allargament es mesura en una longitud establerta, generalment 2 polzades, per un extensòmetre o transductor.

Es basa en les relacions de canvi de resistència efectiva amb els canvies de tensions produïts.. També existeixen un altre aparell per mesurar els allargaments,, les bandes

extensiomètriques. Les bandes son fils metàl·lics situats en una base polimèrica i enganxats al material estudiat (el problema fonamental de les bandes és l’adhesió al material). Funcionen de la mateixa manera que l’extensòmetre. Són avantatjosos que l’extensòmetre ja que se’n poden col·locar mots en un m mateix assaig i obtenir el resultat final fent un promig dels valors de cada aparell.


115

La relació entre esforç unitari σ i deformació unitària ε, trobada experimentalment, es representa

mitjançant la gràfica esforç – deformació:

Deformació plàstica i deformació elàstica:

Deformació elàstica del metall: Quan s’aplica una força a una proveta, els enllaços entre els àtoms s’estiren i el material

s’allarga. Quan es retira la força, els enllaços retornen a la seva longitud original i la proveta torna a

la seva grandària inicial. Correspon a la porció recta de la corba esforç – deformació.

Per al majoria de metalls, la deformació elàstica només es produeix fins a deformacions aproximadament de 0,005.

A la zona en la qual el metall té un comportament elàstic, el metall compleix la llei de

Hooke, segons la qual la deformació produïda és directament proporcional a la tensió aplicada; la constant de proporcionalitat és el mòdul d’elasticitat o mòdul de Young, i es mesura en MPa o psi. 1 MPa = 145 psi; 1 psi = 6,90·10-3 MPa.

Deformació plàstica del metall: Quan s’incrementa l’esforç les dislocacions comencen a produir-se, ocorre el lliscament i

el material comença a deformar-se plàsticament. A diferència de la deformació elàstica, la deformació ocasionada pel lliscament és

permanent i, en conseqüència no recuperable. Correspon a la porció corbada de la corba esforç – deformació.

L’esforç en el que s’inicia el lliscament és el punt que delimita els comportaments

elàstic i plàstic. Per a la majoria de metalls, la transició elastoplàstica és gradual, és a dir, es comença

a notar certa desviació de la linealitat a l’inici de la deformació plàstica, que va augmentant més ràpidament a mesura que augmenta la càrrega.

Per a un material dúctil. Per a un material fràgil.


116

Anàlisi del període Elàstic del Metall:

Mòdul d’elasticitat o mòdul de Young (E):

Aquest mòdul és indicatiu de la rigidesa del metall, és a dir, de la seva resistència a la deformació elàstica.

Quant més gran és el mòdul d’elasticitat, més rígid és el metall, és a dir, menor és la deformació elàstica que s’origina en aplicar una determinada càrrega.

La deformació elàstica és no permanent, de manera que quan es deixa d’aplicar la càrrega que produeix la deformació, la peça torna a la seva forma original.

Es calcula segons la llei:

És el pendent o constant de proporcionalitat entre esforç i deformació (llei de Hooke) quan estem per sota el límit de proporcionalitat.

També es pot conèixer a partir de l’angle amb la horitzontal. El mòdul està estretament relacionat amb les forces que uneixen els àtoms en el material.

Les forces d’unió i, per tant, el mòdul de Young, són majors per als metalls d’alt punt de fusió.

El mòdul d’elasticitat es mesura en GPa (GN/m2); per exemple, el mòdul d’elasticitat de

l’acer és de 207 GPa aproximadament, mentre que el de l’alumini és 69 GPa.

Per tant, l’acer és aproximadament tres vegades més rígid que l’alumini.

El mòdul d’elasticitat indica la rigidesa del material estudiat. Com més gran és E, més rígid és un acer.

Mòduls d’elasticitat d’alguns metalls:.

Mg: EMg = 4,5 · 104 MPa. W: EW = 40,7 · 104 MPa. Acer: EAcer = 20,7 · 104 MPa. (considerant un acer normal)


117

Límit proporcional (Proportional limit):

El límit proporcional és el punt que determina la desviació inicial de la linealitat a la corba

tensió – deformació. Per a molts materials estructurals s’ha trobat que la part inicial de la

gràfica esforç – deformació pot ser aproximada per la recta OP de les gràfiques corresponents..

En aquest interval, l’esforç i la deformació són proporcionals entre si (Llei de Hooke), de manera que qualsevol increment en esforç resultarà en un augment proporcional a la deformació..

L’esforç en el límit del punt de proporcionalitat “P” es coneix com límit de proporcionalitat.

Límit elàstic (Elastic limit):

El límit elàstic pot definir-se com l’esforç mínim en el que té lloc la primera

deformació permanent. A causa que aquest punt sovint no pot ser determinat amb precisió,

s’estableix una convenció segons la qual es dibuixa una línia recta paral·lela a la línia elàstica del diagrama a una determinada deformació, normalment 0,002.

La tensió que correspon a la intersecció d’aquesta línia amb la corba tensió – deformació és l’anomenat límit elàstic del material (σy), i és la tensió que produeix una deformació permanent del 0,2% en el material. Per a la majoria dels materials estructurals, el límit elàstic té gairebé el

mateix valor numèric que el límit de proporcionalitat. La magnitud del límit elàstic d’un metall és indicativa de la seva

resistència a la deformació plàstica. Els límits elàstics es troben compresos entre 35 MPa per a un alumini de baixa resistència fins a més de 1400 MPa per acers d’alta resistència.

Es troba a partir d’un assaig de prova i error, on la càrrega s’augmenta contínuament, s’allibera després de cada increment i es revisa l’extensòmetre. S’arribarà a un punt que l’agulla no tornarà a zero. Això indica que ara el material té una deformació permanent

Punt o límit de cedència o fluència (Yield point):

El punt o límit de cedència o fluència és l’esforç en el que el material continua deformant-se sense que hagi increment de la càrrega. És un fenomen de fluència que consisteix en una variació de la deformació a tensió o esforç constant.

Es produeix amb certa facilitat en els acers ja que els cristalls del metall no son perfectes i amb una petita dislocació en un d’ells es propaga per tot el metall. Correspon al tram recte que s’observa just després de la zona

elàstica. El valor de l’esforç en el punt “Y” de la gràfica indica la resistència

de cedència o fluència. El valor de la deformació permanent especificada està generalment entre 0.10 i 0.20% de la longitud calibrada.

Y

P


118

Anàlisi del període Plàstic del Metall:

Gràfica del desenvolupament del període gràfic i resultat que s’observa en la proveta d’assaig.

Un cop s’ha iniciat la deformació plàstica, la tensió necessària per a continuar la deformació augmenta fins un màxim (M), i després disminueix fins que es produeix la fractura (F). Fins que s’arriba a la resistència a tracció, tota la deformació és uniforme a la regió

estreta de la proveta, però en el moment que s’assoleix la tensió màxima es comença a formar una disminució localitzada, o estricció, a l’àrea de la secció transversal en algun punt de la proveta. A partir d’aquest punt tota la deformació es concentra en aquest punt, que és el punt on tindrà lloc la fractura (F). La tensió corresponent al punt de fractura és la tensió de fractura.

Resistència límit o resistència a tracció:

La resistència límit o la resistència a la tensió és l’esforç màxim desenvolupat pel material, basat en l’àrea transversal original.

Correspon amb el punt màxim de la corba del diagrama tensió – deformació(TS). Per a un material dúctil conforme augmenta la càrrega aplicada sobre la peça

a prova, l’esforç i la deformació s’incrementen, com ho indica la porció de la corba YM (a la gràfica) fins que s’arriba a l’esforç màxim en el punt M.

Un material fràgil es trenca quan assoleix la resistència límit, mentre que el material dúctil continuarà allargant-se.

Les resistències a la tracció poden variar entre 50 MPa per l’alumini fins 3000 MPa per

acers d’alta resistència. Normalment, a efectes de disseny quan es menciona la resistència d’un metall s’indica el límit elàstic, ja que quan s’assoleix la resistència a la tracció la deformació plàstica que ha sofert el material és tan gran que ja no té utilitat.

Resistència a la ruptura:

Per a un material dúctil, fins al punt de resistència límit, la deformació és uniforme al llarg de la longitud de la barra. A l’esforç màxim, la mostra experimenta una deformació localitzada o formació de coll i la càrrega disminueix conforme l’àrea decreix. Aquesta elongació en forma de coll és una deformació no uniforme i ocorre ràpidament fins al punt que el material falla.

La resistència a la ruptura, determinada al dividir la càrrega de ruptura entre l’àrea transversal original, és sempre menor que la resistència límit.


119

Per a un material fràgil, la resistència límit i la resistència de ruptura coincideixen. Ductilitat:

La ductilitat és una mesura del grau de deformació plàstica que pot suportar un material

abans d’arribar a la fractura. Un material molt dúctil sofreix una gran deformació plàstica abans de la fractura. Un material fràgil és aquell que abans de la fractura experimenta poca o cap deformació

plàstica. La ductibilitat depèn de l’estructura cristal·lina del metall. Aquesta es determina en una prova de tensió mitjançant dos mesuraments:

Allargament: Es determina ajuntant, després de la fractura, les parts de la mostra i

mesurant la distància entre les marques posades en la mostra abans de la prova. Allargament (%) = (Lf – L0)/L0 · 100

Es considera un metall Dúctil si la deformació de fractura, just abans del trencament, és més gran que el 8% de la elongació inicial.

Es considera un metall Fràgil si la deformació de fractura, just abans del trencament, és mes petita que el 5% de la elongació inicial.

Reducció d’àrea: Aquesta també es determina a partir de les meitats trencades de la

mostra sota la tensió, mesurant l’àrea transversal mínima. Reducció d’àrea (%) = (A0 – Af)/A0 · 100

Cal destacar que la ductilitat d’un material no té a veure amb el seu mòdul d’elasticitat,

de manera que dos materials amb el mateix mòdul d’elasticitat poden ser un fràgil i l’altre dúctil.

Els materials dúctils presenten una corba esforç – deformació que arriba

al seu màxim en el punt de resistència a la tensió. En materials fràgils, la càrrega màxima o resistència a la tensió és el punt de falla. En materials extremadament fràgils, com ceràmics, l’esforç de fluència, la resistència a la tensió i l’esforç de ruptura són iguals.

Coeficient de Poisson (υ).

Mesura la deformació axial enfront a la deformació lateral. Quan s’aplica una tracció sobre un metall, es produeix un

allargament en la direcció de la càrrega aplicada. Simultàniament, es produeixen constriccions laterals en les direccions perpendiculars a la càrrega aplicada.

En els metalls aquets valors varia entre 0,25 ~ 0,35.

Mòduls d’elasticitat i coeficients de Poisson per a diferents metalls i aliatges

Mòdul d’elasticitat (MPa·104) Coeficient de Poisson Alumini 6,9 0,33 Llautó 10,1 0,35 Coure 11,0 0,35 Níquel 20,7 0,31 Acer 20,7 0,27 Titani 10,7 0,36 Tungstè 40,7 0,28

Deformació lateral υ = Deformació axial


120

Resiliència:

La resiliència es defineix com la capacitat d’un material d’absorbir energia elàstica, és a dir,

l’energia absorbida el camp elàstic.

Un material és resilient si te la capacitat del material d’absorbir energia elàstica i capacitat de desprendre-la una vegada es deixa d’aplicar la càrrega.

Els materials molt resilients són aquells amb un límit elàstic molt alt i un mòdul d’elasticitat molt baix. Aquests aliatges es poden utilitzar en aplicacions com a molles.

La propietat associada s’anomena mòdul de resiliència (Ur).

És l’energia de deformació per unitat de volum necessària per a deformar un material fins al seu límit elàstic.

Resiliència = mòdul de recuperació. Correspon a l’àrea compresa sota la corba esforç – deformació en l’interval elàstic.

Tenacitat:

La tenacitat és un terme que expressa la capacitat d’un material d’absorbir energia abans de la fractura.

Un material és tenaç si te la capacitat d’absorbir energia i deformar-se plàsticament abans de

fracturar-se. Aquesta és principalment una propietat de l’interval plàstic, ja que només una petita part

de l’energia total absorbida és energia elàstica que pot recuperar-se quan se suprimeix l’esforç. En el cas de situacions de càrrega estàtiques (baixa velocitat de deformació), la tenacitat

pot ser avaluada a partir dels resultats de l’assaig a tracció com tota l’àrea sota la corba tensió – deformació. (zona elàstica + zona plàstica).

En condicions dinàmiques de càrrega i en presència d’una entalladura (és a dir un concentrador de tensió), la tenacitat a l’entalladura s’avalua mitjançant assaigs d’impacte.

D’altra banda, la tenacitat de fractura és una propietat que indica la resistència a la

fractura d’un material quan existeix una esquerda.


121

Deformació Real:

Esforç real – deformació real:

La prova convencional de tensió descrita abans donarà valuosa informació fins a aproximar-se i

arribar al punt de cedència.

Més enllà d’aquest punt, els valors d’esforç són ficticis, ja que l’àrea transversal real es reduirà considerablement. Es defineix l’esforç real i la deformació real per les següents equacions.

(L’índex t prové de true)

Esforç Real: L’àrea “A” pren valors instantanis (igual que la long “l”).

Efectes tèrmics:

Les propietats de tensió són afectades de manera important per la temperatura.

L’esforç de fluència, la resistència a la tensió i el mòdul d’elasticitat disminueixen a temperatures elevades.

La ductilitat, com mesura del grau de deformació en la fractura, comunament s’incrementa a temperatures elevades.

. .

Assaigs d’impacte:

Tenacitat relativa amb la variació de temperatura.

Si disminueix la temperatura la material es torna més fràgil i viceversa.

Assaigs per determinar la tenacitat relativa:

Assaig de Charpy: La mostra en l’assaig de Charpy es col·loca en un cargol de banc de manera semblant a

una biga senzilla suportada en ambdós extrems.


122

Assaig de Izod: La mostra en l’assaig de Izod es col·loca en el cargol de banc de manera que un extrem

quedi lliure i sigui per tant una biga en volada.

El pes del pèndol multiplicat per la diferència d’alçades indicarà l’energia absorbida per la mostra, o sigui la resistència a l’impacte de la mostra amb osca.

Resultats de l’assaig:

A temperatures altes es requereix una gran absorció d’energia perquè es trenqui la

proveta, i a temperatures baixes es fractura amb poca energia absorbida.

A temperatures elevades el material es comporta de manera dúctil, amb gran deformació i allargament de la proveta abans de fracturar-se.

A temperatures baixes, el material és fràgil i s’observa poca deformació en el punt de fractura. La temperatura de transició és aquella a la qual el

material canvia de presentar una fractura dúctil a una fràgil.

No tots els materials presenten una temperatura de transició. Els metalls BCC tenen

temperatura de transició, però la majoria dels metalls FCC no la tenen. Els metalls FCC poden absorbir altes energies, i aquestes decreixen gradual i lentament

conforme disminueix la temperatura.

L’energia d’impacte correspon a l’àrea delimitada per la corba esforç real – deformació real.

Els materials que presenten alta resistència i alta ductilitat, tenen una tenacitat elevada. Els ceràmics, d’altra banda, tenen escassa tenacitat degut al fet que són trencadissos i virtualment no presenten ductilitat.

Encara que el material B té un menor esforç de fluència, absorbeix major energia que

el material A.


123

Assaig de fatiga:

En moltes aplicacions un component se sotmet a l’aplicació repetida d’un esforç inferior al de fluència del material.

Aquest esforç repetit pot ocórrer com resultat de càrregues de rotació, flexió, o fins i tot de vibració.

Trencament per fatiga: fractura després de nombroses aplicacions d’un esforç, encara que sigui

inferior al punt de fluència, durant un període de temps llarg.

Les fisures o esquerdes de fatiga s’inicien en la superfície del material al que s’aplica l’esforç, on els esforços són màxims. Qualsevol defecte de disseny o de fabricació en la superfície concentra els esforços i propicia la formació d’una fractura per fatiga. Algunes vegades s’obtenen superfícies molt polides per a minimitzar la possibilitat de falla per fatiga.

Un mètode comú per a amidar la resistència a la fatiga és l’assaig de la biga en volada

rotatòria.

La mostra suporta inicialment una força de tensió que actua en la superfície superior, mentre que la superfície inferior es comprimeix. Després que la mostra gira 90º, els llocs que originalment estaven en tensió i en compressió no reben esforç algun sobre ells. Després, a una rotació de 180º, el material que estava originalment en tensió està ara en compressió i viceversa. D’aquí que l’esforç en qualsevol punt de la proveta passa per un cicle complet que va

de zero a màxima tensió, i de zero a màxima compressió. Després d’un nombre suficient de cicles, la mostra pot fallar.

Límit de Fatiga:

El límit de resistència a la fatiga és l’esforç per sota del com la falla per fatiga mai ocorre. Per a evitar que es trenqui una eina d’acer, s’ha d’assegurar que l’esforç aplicat mai

sigui major que 60.000 psi.

Sovint s’especifica la resistència a la fatiga, o esforç per sota del qual no es trenca la mostra durant 500 milions de cicles de repetició de l’esforç.


124

Assaigs de duresa:

Duresa: La duresa és la mesura de la resistència d’un material a la deformació plàstica localitzada, i s’acostuma a definir en relació amb l’assaig utilitzat per a determinar-la

Correspon a la Resistència del material a ser ratllat per una altre material. Les mesures quantitatives de duresa tenen, doncs, un valor comparatiu.

El procediment de prova i la preparació de la mostra solen ser senzills i els resultats poden

utilitzar-se per a estimar altres propietats mecàniques. La prova de duresa s’utilitza àmpliament per a inspecció i control.

El tractament tèrmic o el treball efectuat en una peça metàl·lica resulta generalment en un canvi de duresa.

Tant la duresa com la resistència a tracció són indicatives de la resistència d’un metall a la

deformació plàstica, per la qual cosa aquestes dues propietats són, en termes generals, proporcionals. La relació de proporcionalitat és diferent per a cada metall.

Duresa Elàstica:

Assaig: S’utilitza un escleroscopi.

Escleroscopi: dispositiu per a amidar l’alçada de rebot d’un petit martell amb embolcall de diamant.

Es deixa caure pel seu propi pes la punta des d’una alçada definida sobre la superfície de la peça posada a prova.

Mesura:

Aquesta prova és realment una mesura de la resistència del material, o sigui, l’energia que pot absorbir en l’interval elàstic. Alguna energia s’absorbeix al formar la impressió, i la resta

regressa al martell al rebotar aquest. Si s’absorbeix poca energia el martell puja poc.

Resistència al tall o abrasió:

Prova de ratlla. (prova ideada per Friedrich Mohs) [primera escala de dures que va existir]

Assaig: L’escala consta de deu minerals estàndard arreglats seguint un ordre d’increment de

duresa.

Si un material desconegut és ratllat apreciablement per X i no per Y, el valor de duresa està entre X i Y.

Mesura:

La duresa respecte d’altres material o minerals.

Aquesta prova no s’ha utilitzat molt en Metal·lúrgia, però encara s’empra en Mineralogia. El principal desavantatge és que l’escala de duresa no és uniforme.

Quan la duresa dels minerals és examinada per altres mètodes de prova de duresa, es troba que els valors estan molt propers entre 1 i 9 i que hi ha gran diferència en duresa no cobertes entre 9 i 10, on es troben la majoria dels metalls.

Duresa Mineral Duresa Mineral 10 Diamant 5 Apatita 9 Corindó 4 Fluorita 8 Topazi 3 Calcita 7 Quars 2 Guix 6 Ortòclasi/Feldespat 1 Talc


125

Prova o assaig de llima.

Assaig: La peça a prova se sotmet a l’acció de tall d’una llima de duresa coneguda, per a

determinar si es produeix un tall visible. Les proves comparatives amb una llima depenen de la grandària, forma i duresa de la

llima, de la velocitat, pressió i angle de llimat durant la prova, i de la composició i tractament tèrmic del material a prova.

Mesura:

Resistència a la ratlla per part dels materials estudiats.

La prova generalment s’empra en la indústria com acceptació o rebuig d’una peça. Al passar una llima per la superfície, es pot examinar amb rapidesa un gran numero de

parts tractades tèrmicament per a determinar si el tractament ha estat satisfactori.

Resistència a la Identació:

Aquesta prova generalment s’utilitza per impressionar una mostra, la qual està en repòs sobre una plataforma rígida, amb un marcador o indentador de geometria determinada, sota una càrrega estàtica coneguda que s’aplica directament o per mitjà d’un sistema de palanca.

Prova o assaig de duresa Brinell:

L’aparell d’anàlisi de duresa Brinell consta d’una premsa hidràulica vertical d’operació manual, dissenyada per forçar un marcador de bola dintre de la mostra.

La càrrega va pujant de 500 en 500 durant un temps d’entre 10~30 segons. Metalls Ferrosos:

La prova es fa amb una bola de 10 mm de diàmetre sota una càrrega de 3000 kg durant 10 seg.

Metalls no Ferrosos: La prova es fa amb una bola de 10 mm de diàmetre sota una càrrega de 500 kg durant

30 seg.

El diàmetre de la impressió produïda és mesurat per mitjà d’un microscopi o una lupa binocular que conté una escala ocular, generalment graduada en dècimes de mil·límetre, que permet estimacions de fins a gairebé 0.05 mm.

El nombre de duresa Brinell (HB) és la raó de la càrrega de quilograms per l’àrea en mil·límetres quadrats de la impressió, i es calcula mitjançant la fórmula:

El nombre de duresa i el símbol HB es complementen per nombres que indiquen les condicions de prova en el següent ordre: Diàmetre de la bola, càrrega i durada de la càrrega.

El nombre de duresa Brinell seguit pel símbol HB sense nombres sufixos

indica condicions de prova estàndard usant una bola de 10 mm de diàmetre i una càrrega de 3000 kg, aplicada de 10 a 15 seg.

El límit superior de l’escala pot augmentar-se usant una bola de carbur de tungstè en comptes d’una bola d’acer endurit. En aquest cas, és possible arribar a 650 HB aproximadament. Si la bola es d’acer endurit: HB ≤ 500, i si és de tungstè: HB ≤ 600.

L = càrrega de prova, en kg D = diàmetre de la bola, en mm d = diàmetre de la impressió, en mm


126

Prova o assaig de duresa Rockwell:

L’aparell d’anàlisi de duresa Rockwell consisteix en un instrument de lectura directa basat en el principi de mesurament de profunditat diferencial.

La prova es porta a terme elevant la mostra lentament contra el marcador fins que

s’ha aplicat una càrrega determinada menor. Després s’aplica la càrrega major a través d’un sistema de palanca de càrrega.

Un cop l’agulla del disc arriba al repòs, es lleva la càrrega major, i amb la càrrega menor encara en acció, el nombre de duresa Rockwell és llegit en el disc de mesura. Com l’ordre dels nombres s’inverteix en el disc de mesura, una impressió poc

profunda en un material dur donarà un nombre gran mentre que una impressió profunda en un material tou donarà un nombre petit..

Hi ha dues màquines Rockwell:

La “normal” per a seccions relativament gruixudes. La càrrega menor és de 10 kg i generalment les càrregues majors són de 60, 100 i 150

kg. La superficial o superior per a seccions primes.

La càrrega menor és de 3 kg i generalment les càrregues majors són de 15, 30 i 45 kg.

Per a cada escala les dureses poden arribar fins a valors de 130, tot i que valors superiors a 100

o inferiors a 20 en qualsevol escala són inexactes, per la qual cosa es recomana en aquests casos emprar la següent escala en la sèrie..

Altres fons d’inexactitud poden ser un gruix massa petit de mostra i una alta proximitat entre les marques o al límit de la mostra..

Poden utilitzar-se diversos marcadors d’osques i càrregues i cada combinació determina una escala Rockwell específica.

Els marcadors d’osques inclouen boles d’acer dures de 1/16, 1/8, 1/4 i 1/2 de polzada de diàmetre (1 polzada = 2,54 cm ) i un marcador cònic de diamant de 120°. A causa de les moltes escales Rockwell, el nombre de duresa ha d’especificar-se

mitjançant el símbol HR seguit de la lletra que designa l’escala i precedit dels nombres de duresa..


127

Prova o assaig de duresa Vickers:

L’aparell d’anàlisi de duresa Vickers funciona de la mateixa manera que el Brinell però utilitza un marcador piramidal de diamant de base quadrada amb un angle de 136° entre les càrregues oposades.

L’interval de càrrega està generalment entre 1 i 120 kg..

Normalment el sistema de sures Vickers està muntat junt amb un microscopi amb escala òptica per poder mesurar les distancies.

Es dóna coma resultat la longitud de la diagonal i amb ella es pot calcular l’índex de duresa Vickers segons:

Com a longitud de la diagonal és pren el valor promig de les dues diagonals.

d’ = (d1 + d2)/2 Si d1 és molt diferent a d2 implica que hi ha irregularitats en el material.

Com resultat de la lentitud en les càrregues aplicades, l’aparell de Vickers és útil per a

mesurar la duresa de fulles molt primes, així com seccions pesades i materials fràgils com la ceràmica.

Prova o assaig de microduresa:

Assaig de duresa per analitzar mostres aplicant càrregues molt petites (1 ~ 1000g).

Hi ha dos tipus de marcadors per aquest assaig:

La piràmide de diamant Vickers de base quadrada de 136° (descrita abans).

Marcador Knoop de diamant allargat: Té forma piramidal que produeix una impressió en forma de diamant, i té diagonals

llargues i curtes a una raó aproximada de 7:1. La forma piramidal empleada té inclosos angles longitudinals de 172°30 i angles

transversals de 130°. La profunditat d’impressió és com de 1/30 de la seva longitud.

La metodologia d’anàlisi és la mateixa que en Vickers, però utilitzant una òptica més

desenvolupada i només tenint en compte la diagonal llarga. La fórmula a utilitzar en aquest cas és:

L = càrrega aplicada, en kg d = longitud de la diagonal del quadrat d’impressió, en mm


128

Conversió de la duresa.

No hi ha un mètode general per a convertir les dureses d’una escala a una altra, ja que la duresa és una propietat definida experimentalment en base a l’assaig utilitzat per a la seva determinació.

Així, l’escala de conversió més fiable és la que correspon als acers i que es mostra a la

figura següent:


129

Aplicacions típiques de les pobres de duresa per identació:


130

Taula resum dels assaigs de duresa:


131


132

Diagrames de Fases

Introducció:

Sistema: substància o mescla de substancies aïllades respecte les demés.

Variables d’un sistema: Magnituds que poden variar de forma independentment.

Les mes habituals són: Composició Pressió i Temperatura. Sistema Homogeni: Sistema uniforme en tot el seu volum. Sistema Heterogeni: Sistema que consta de dues o més regions homogènies separades per

superfícies interficials.

Fase (F): Porció homogènia d’un sistema que té característiques físiques i químiques uniformes, és diferenciable físicament i separable mecànicament.

Cada fase té les seves propietats característiques i un límit que les separa d’altres fases.

En aquest límit apareix un canvi abrupte i discontinu en una o varies de les característiques físiques i/o químiques dels components.

Podem tenir diferents sistemes:

Monofàsics: sistemes d’una sola fase. [Elements, dissolucions..]

Propietats físiques i químiques iguals. Un sistema monofàsic rep el nom de sistema homogeni.

Multifàsics: sistema amb més d’una fase. [Cristal·litzacions diferents,... ]

Hi ha zones on alguna propietat física o química és diferents. Efecte sinèrgic: Les propietats del total no són la suma de propietats de cadascuna de

les fases. Sinèrgia: Tot suma més que les parts per separat Un sistema multifàsic rep el nom de sistema heterogeni o mescla. La majoria d’aliatges, ceràmiques, polímers i materials compostos són sistemes

heterogenis.

Component (C): Nombre mínim d’espècies moleculars, en funció de les quals es pot expressar la composició de totes les fases.

Graus de Llibertat (L): Nombre de factors que es poden modificar, sense variar el nombre ni la

naturalesa de les fases.

Regla de les Fases o de Gibbs

Si el sistema només està format per sòlids i líquids:

Límit de solubilitat: És la concentració màxima d’àtoms de solut que es dissolen en el dissolvent

per a formar una dissolució sòlida, és a dir, una sola fase. Per damunt d’aquest límit, un excés de solut forma una altra dissolució sòlida o un altre

compost de composició diferents. Ens marca el límit entre una fase (dissolució) i dues fases (dissolució + solut precipitat). El límit de solubilitat d’un compost en una dissolució depèn de la temperatura.

L + F = C + 2

L + F = C + 1 [Fórmula més utilitzada]


133

Equilibris de fases: tot tendeix a un mínim d’energia interna (H) [Entalpia] i un màxim desordre a nivell atòmic o molecular (S) [Entropia]. Les dues s’unifiquen amb l’energia lliure o de Gibbs, que te en compte la temperatura. L’equilibris s’obté amb el mínim d’energia de Gibbs.

L’equilibri de fase és aquell on les fases constituents estan presents amb mínima energia en

unes condicions determinades de pressió, temperatura i composició. Macroscòpicament parlant, això es tradueix en que les característiques del sistema no

canvien amb el temps, sinó que es mantenen indefinidament. Quan es produeix una variació es tendeix a restablir l’equilibri (però a una velocitat molt

lenta). Els estats d’equilibri d’un sistema venen determinats per les seves energies lliures en diferents

condicions.

Un sistema en equilibri és aquell en el que ni desapareixen ni es formen fases noves.

Equilibri metastable: L’estat d’equilibri no s’acaba d’assolir, ja que la velocitat per arribar-hi és extremadament lenta.

En aquestes condicions, una microestructura pot romandre indefinidament en el temps sense experimentar canvis perceptibles.

Si es varien lleugerament les condicions s’hauria d’alterar la situació, però aquest alteració no es produeix.

En els aliatges metàl·lics, la microestructura depèn del número de fases, la proporció i distribució d’aquestes, així com de les característiques del procés de tractament tèrmic que ha patit l’aliatge (la temperatura i el temps d’escalfament i la velocitat de refredament).

Aquests factors determinen, doncs, la microestructura del material, de la qual depenen en gran

mesura les seves propietats físiques i mecàniques.

Diagrames de Fases:

Els diagrames de fases, o diagrames d’equilibri, permeten interpretar i predir el desenvolupament de microestructures, a més d’aportar valuosa informació sobre els processos de fusió, cristal·lització, i altres fenòmens.

Els diagrames de fases:

Aporten informació sobre les característiques d’equilibri del sistema, però no donen cap indicació pel que fa al temps necessari per arribar a aquest estat.

Representen les relacions entre l’estructura i la composició i la quantitat de fases en equilibri.

Permeten predir les transformacions de fases i la microestructura resultant en modificar la temperatura.

Representen les relacions entre l’estructura i la composició i la quantitat de fases en l’equilibri. A més a més permeten predir la transformació de les fases i la microestructura resultant en modificar la temperatura.

Ens indiquen com varia l’estat estable del sistema en modificar les variables del mateix sistema.

Hi ha diferents tipus de diagrames, de temperatura, de pressió, .. (nos. utilitzem el de Tº)


134

Diagrames de fases Composició - Temperatura.

Sectors Principals: Línies de Canvi de fase. Punts invariants: no es pot variar cap factor sense que es formi o desaparegui alguna fase. Fases presents.

Composició Punts Invariants → L = 0 Temperatura Diagrama de fases Línies de Canvi de fase → L = 1 Zones o fases presents → L = 2 Temps: Liquides Corbes de refredament Substancies

Sòlides Liquides Dissolucions Sòlides (fases cristal·lines α, β, γ,... )

Sistema

Monofàsics Sistemes d’una sola component.

Miscibles totalment en estat líquid. Binaris Miscibles totalment o parcialment en estat sòlid.

Tipus

Aliatges Metàl·lics Sistemes de dos o més components formats solament per sòlids i líquids

Sistemes d’una component:

Zones: 1. 1a fase → Aigua líquida. 2. 1a fase → Aigua sòlida (gel). 3. 1a fase → Aigua gas (vapor).

Línies:

m. 2 fases → Aigua L i S. n. 2 fases → Aigua L i G. r. 2 fases → Aigua S i G.

Punts:

A. 3 fases → Aigua S, L i G (punt triple, 0,0098ºC i 458 mm Hg).

En el cas que hi hagi dues fases sòlides s’opera de la mateix manera.


135

Nom / Component F L

Zones: 1 Dissolució Líquida M i N 1 2 2 Diss. Liq. M i N + N (s) 2 1 3 Diss. Liq. M i N + M (s) 2 1 4 M i N sòlids * *

Línies: m i n Liquidus A r B Solidus r Transformació Eutèctica

Punts: A P. Fusió de N N(l) + N(s) 2 1 B P. Fusió de M M(l) + M(s) 2 1 E P Eutèctic Diss + M i N 3 0 C i D Punts invariants 3 0

0% M 100% M 100% N

Sistemes de dues components (Binaris):

Un sistema isomòrfic és aquell en el qual la solubilitat dels components és total en estat sòlid i en estat líquid.

Punt Eutèctic: Punt invariant on es troben 3 fases, una dissolució líquida i dos sòlids. Reacció Eutèctica: L (Composició Eutèctica) ↔ α (CE) + β (CE)

Corbes de refredament.

Obs: la distancia horitzontal és proporcionalment llarga am la quantitat de líquid abans del munt de canvi d’estat.

Càlculs Quantitatius: Regla de la Palanca o de les proporcions inverses. Per saber quina proporció hi ha de cada fase en un punt en concret:

Massa sòlid A UYMassa líquid

= UX

U és el punt i X: distància al sòlid Y: distancia al líquid

UY UX U % de Sòlid A = XY

· 100 % Líquid = XY

·100

VP VQ V % Eutèctic = PG

· 100 % Sòlid B = PQ

· 100

Obs: sempre penem la “distancia oposada” al que volem calcular

a (%dissolució líquida) Variació: [ ] = b (% sòlid)

Ex: Punt L: a b 100 LN

= LM

= MN

Obs: a + b = 100

A B


136

Classes de sistemes de dues components:

Classe I:

Líquids Immiscibles i Sòlids Immiscibles.

Notació: Al + Bl = Líquid As = A sòlid Bs = B sòlid

Característiques: Punt Eutèctic M

Presència d’un compost amb punt de fusió congruent.

Notació: Al + Bl = Líquid As = A Bs = B

Característiques: Compost AB Punt de fusió Congruent

(el sòlid arriba a la Tº d’equilibri amb la mateixa composició)

Punts Eutèctics M i N

Presència d’un compost amb punt de fusió no congruent.


Característiques: Compost AB Punt de fusió No Congruent

(el sòlid es descompon a una temperatura inferior a la d’equilibri amb el líquid de la mateixa composició, produint un sòlid i un líquid.)

Punts Eutèctics M i N

Presència d’un compost amb més d’una forma cristal·lina.


Característiques:

A una temperatura Tt el sòlid B passa de la forma cristal·lina α a la forma cristal·lina β.

Punt Eutèctic M

A B

A AB B

A AB B

A B


137

Classe II:

Classe III:

Sòlids i Líquids totalment miscibles. (aliatges intersticials)


Característiques:

Apareix una dissolució sòlida homogènia entre el líquid i el sòlid (not: Diss)

Líquids totalment miscibles i sòlids parcialment miscibles. Amb punt Eutèctic.

Notació: Al + Bl = Líquid Dissolució sòlida: Ds

Característiques: Dissolució sòlida α

Solubilitat màxima en P Dissolució sòlida β Solubilitat màxima en Q Punt Eutèctic M

Líquids totalment miscibles i sòlids parcialment miscibles. Amb punt Peritèctic.

Notació: Al + Bl = Líquid Dissolució sòlida: Ds

Característiques: Dissolució sòlida α

Solubilitat màxima en N Dissolució sòlida β Solubilitat màxima en Q Punt Peritèctic N

Punt Eutèctic (M). A vegades la zona on A i B estan en fase sòlida (o dissolució

sòlida) es separa en funció del punt Eutèctic [o també amb el punt Peritèctic] (As + Eutèctic i Eutèctic + Bs, enlloc de As + Bs)

A B

A B

A B

A B


138

Exemples de diagrames de fases binaris:

Sistema isomòrfic binari:

Un sistema isomòrfic és aquell en el qual la solubilitat dels components és total en estat sòlid i en estat líquid. Un sistema d’aquest tipus és el format pel coure i el níquel, el diagrama del qual es mostra la figura. La solubilitat total entre el coure i el níquel s’explica pel fet de tenir la mateixa estructura cristal·lina, radis atòmics i electronegativitats pràcticament idèntics i valències molt similars.

Diagrama de fases del sistema Cu - Ni

A l’eix d’ordenades es representa la temperatura, i a l’eix inferior d’abscisses la composició en

pes de l’aliatge. S’observen tres regions de fases diferents: un camp sòlid α, un camp líquid L i una regió bifàsica α + L.

El líquid és una dissolució líquida homogènia de coure i níquel. La fase α és una dissolució sòlida substitucional, d’àtoms de coure i de níquel, d’estructura FCC. A temperatures inferiors a 1080ºC el coure i el níquel són mútuament solubles en estat sòlid a qualsevol composició.

Les temperatures de fusió del coure i el níquel purs són, respectivament, 1085 i 1455ºC. L’escalfament del coure pur representa el desplaçament vertical seguint l’eix esquerre de la temperatura. El coure és en estat sòlid fins arribar a la temperatura de fusió, a la que té lloc la transformació de sòlid a líquid. La temperatura roman constant fins que el canvi de fase s’ha realitzat completament.

Per a qualsevol composició diferent de la dels sòlids purs, la fusió té lloc en un interval de temperatures determinat per les dues línies dibuixades al diagrama, durant el qual dues fases, la sòlida i la líquida estan en equilibri. Així, escalfant un aliatge de coure i níquel de composició 50/50 en pes, aquest comença a fondre a uns 1280ºC; la proporció de líquid va augmentant en augmentar la temperatura, fins arribar als 1320ºC, quan l’aliatge fon totalment.


139

Sistema eutèctic binari:

El diagrama de fases del sistema coure (Cu) - plata (Ag) es mostra a la figura següent:

Aquest diagrama és un exemple de diagrama de fases eutèctic binari. Per aquests sistemes, la solubilitat de les fases sòlides és limitada. A temperatures inferiors a 780ºC (línia BEG del diagrama) només una quantitat limitada de plata es dissol en el coure per a formar la fase sòlida α; de la mateixa manera, només una quantitat limitada de coure es dissol en plata per formar la fase sòlida β. El límit de solubilitat de la fase α coincideix amb la línia CBA del diagrama, i augmenta amb la temperatura fins arribar a un màxim (7,9% en pes d’Ag a 780ºC). La màxima solubilitat del coure en la fase β és 8,8% en pes de coure a 780ºC. La línia horitzontal BEG representa la menor temperatura a la qual una fase líquida pot estar en equilibri amb l’aliatge coure-plata. D’altra banda, en aquest sistema apareixen també tres regions bifàsiques: α + L, β + L i α + β.

A mesura que s’afegeix plata al coure, la temperatura de fusió total de l’aliatge disminueix seguint la línia AE, mentre que la introducció de coure fa baixar la temperatura de fusió de la plata seguint la línia FE. Les dues línies s’uneixen al punt E, que s’anomena punt eutèctic o invariant, i que determina la composició CE (71,9% Ag, en aquest cas) i la temperatura TE (780ºC).

Un aliatge de composició CE experimenta una important reacció en canviar la temperatura a través de TE:

L(CE) ↔ α (CαE) + β(CEβ) Una fase líquida subrefredada es transforma en dues fases sòlides (α i β) a la temperatura TE. Aquesta reacció s’anomena reacció eutèctica, i per al sistema coure-plata es pot escriure de la manera següent:

L (71,9% Ag) ↔ α (7,9% Ag) + β (91,2% Ag) La solidificació d’un eutèctic té com a resultat sempre un producte bifàsic, mentre que la solidificació d’un component pur origina una monofase.


140

Aliatge Ferro - Carboni (Aliatges Fèrrics)

Transformacions al·lotròpiques del Fe pur:

0 ºC ≤ Tº ≤ 768 ºC. → Fe α (BCC) 768 ºC ≤ Tº ≤ 912 ºC. → Fe β (α no magnètic) (BCC) 912 ºC ≤ Tº ≤ 1394 ºC. → Fe γ (FCC) 1394 ºC ≤ Tº ≤ 1538 ºC → Fe δ (BCC) Tº ≥ 1538 ºC → Fe Líquid

Aliatges Fèrrics o Ferrosos:

Els aliatges ferrosos són aquells aliatges on el component principal és el ferro, com el seu nom diu. La composició d’aquets pot ser variable, però sempre estan compresos entre uns percentatges de Fe

i C contrets: Acer = Fe + C, amb una restricció de C, que ha d’estar en una proporció inferior al 2%.

Amb més carboni obtenim foses.

Les avantatges dels aliatges fèrrics són: El Fe és un element molt abundant. És un tipus d’aliatge molt econòmic. El resultat dóna un producte molt versàtil.

Podem adaptar l’aliatge perquè tingui diferents propietats físiques i mecàniques.

Es poden classificar els aliatges fèrrics segons el seu % de contingut de C en pes: Ferros: < 0,008 %C [Microestructura: a Tº Ambient: Ferrita α] Acers: 0,008 %C ~ 2,11 %C [Microestructura: Ferrita α i Fe3C]

En la pràctica, la concentració de carboni no acostuma a superar el 1%. Dins d’aquets els podem classificar en acer d’alt, mig i baix contingut de C. No existeix una frontera exacte entre els acers d’alt C, de mig o de baix, només valors

aproximats: Acers de Baix Contingut de C: 0,008 %C ~ 0,25 % de C. Acers de Mig Contingut de C: 0,25 % C ~ 0,60 % de C. Acers d’ Alt Contingut de C: 0,6 % C ~ 2,11 % de C.

També els podem diferenciar segons la quantitat d’aliatge amb un tercer element en: Acers Normals: són aquells que tenen una baix aliatge. Acers Especials: són aquells amb alt aliatge.

Foses: 2,11 ~ 6,7 %C. [El contingut de carboni no acostuma a superar el 4,5%]

El Carboni té una gran influència en el comportament mecànic dels acers. Un augment de C suposa un augment de les resistències, però al mateix temps una disminució

de la ductibilitat.

Segons les quantitats de C en l’aliatge obtenim diferents tipus de productes: Ferrita: Fe amb una mica de C (la presència de Fe és aproximadament del 99,95%). Cementita: Fe3C (carbur de ferro). Contingut de C del 6,70% Perlita: Combinació de dues fases

En la construcció es solen utilitzar acers d’aproximadament 1,5% de C. La substitució màxima de Fe en la Ferrita és del 0,022% de C i en l’ Austenita és del 2,11%

de C. (Les variacions són causades per la diferències cristal·lines.).

Classificació dels Aliatges Fe-C: [Segons el % de C]:


141

Diagrama Ferro – Carboni (Fe – C): [Estrictament parlant, diagrama Fe-Fe3C]

Noms dels components principals:

Ferrita: Dissolució de C en Fe α (màx.: 0,022% de C).

La baixa solubilitat s’explica per la dificultat que tenen els àtoms de carboni per acomodar-se al les posicions intersticials de l’estructura BCC.

Austenita:

Dissolució de C en Fe γ (màx.: 1,7 % de C). Aquesta solubilitat tan superior a la que té el carboni en la ferrita es deu a que les posicions

intersticials de l’estructura FCC tenen la mida adequada per l’acomodació dels àtoms de carboni.

Cementita: Compost de Fe3C (6,7 % de C, comp. fixa).

Eutèctic: Ledeburita

52% d’ Austenita i 48% de Cementita. Eutectoide: Perlita

89% de Ferrita i 11% de Cementita.

Nom / Component F L

Zones 1 Dissolució Líquida Fe i C 1 2 2 Dissolució Sòlida: Fe δ + C 1 2 3 Dissolució Sòlida: Fe γ + C

[Austenita] 1 2

4 Dissolució Sòlida: Fe α + C [Ferrita]

1 2

5 (Fe δ + C) + Líquid 2 1 6 Austenita + Líquid 2 1 7 Cementita + Líquid 2 1 8 Austenita + (Fe δ + C) 2 1 9 Austenita + Cementita 2 1 10 Ferrita + Austenita 2 1 11 Ferrita + Cementita 2 1

Punts A Solubilitat màx. de Ferrita 2 1 B Solubilitat màx. d’ Austenita 2 1 M Eutèctic: 4,3%C i 1148ºC 3 0 N Eutectoide: 0,77%C i 727ºC 3 0


142

Càlculs dels % dels punts invariants.

Eutèctic:

Eutectoide:

Reaccions:

Reacció Eutèctica: L (4,3 %C) ↔ γ + Fe3C (6,70 %C) La reacció eutèctica implica la solidificació del líquid per a generar les fases austenita

i cementita.

Reacció Eutectoide: γ (0,77 %C) → α (0,022 %C) + Fe3C (6,70 %C) En aquest punt, el refredament d’una fase sòlida γ dóna com a resultat la formació de

dues fases sòlides, ferro α i cementita.

Propietats:

Segons les composicions dels acers, aquets seran més o menys resistents:

La Ferrita és Blana i Dúctil.

La Cementita és Dura i Fràgil.

6,7 – 4,3 % Austenita = 6,7 – 2,11

· 100 = 52 %

4,3 – 2,11 % Cementita = 6,7 – 2,11

· 100 = 48 %

6,7 – 0,77 % Ferrita = 6,7 – 0,022

· 100 = 89 %

0,77 – 0,022 % Cementita = 6,7 – 0,02

· 100 = 11 %


143

Microestructura dels Acers: (en base de les seves corbes de refredament)

La microestructura dels acres depèn de dos factors:

La temperatura. La composició.

Microestructura.

C

Acers Eutectoides. (0,77 %C)

A Austenita

B Reacció Eutectoide: Austenita ↔ Ferrita + Cementita Zona Blanca Ferrita

C Perlita (Ferrita + Cementita) Zona Negre Ferrita: Blana i Dúctil Cementita Cementita: Dura i Fràgil.

Acers Hipoeutectoides. (0,022 i 0,77 %C)

A Austenita.

B

Apareix Ferrita Proeutectoide en els límits de gra.

C Evolució del creixement de Ferrita.

D El que queda d’austenita reacciona.

E Ferrita + Perlita (Fe3C + Ferrita Eutectoide).

Acers Hipereutectoides. (0,77 i 2,11 %C)

A Austenita.

B Apareix Cementita Proeutectoide en els límits de gra.

C Evolució del creixement de

Cementita.

D El que queda d’austenita reacciona.

E Cementita + Perlita.

(Fe3C Eutectoide + Ferrita).

Ferrita Proeutectoide

Cementita

A

A

A

B

B

B

C

C

C

D

D

E

E


144

Esquemes més teòrics de la microestructura dels acers:

Acers Eutectoides:

Acers Hipoeutectoides:

Acers Hipereutectoides:


145


146

Acers

Els acers ordinaris poden no donar les característiques mecàniques o químiques (poca resistència a la corrosió, ...)que volem, a part de tenir una trempabilitat baixa.. Aquest fet es pot solucionar creant aliatges amb altres components a part del ferro i el carboni.

Acers:

Els acers més comuns es classifiquen segons el contingut en carboni: baix, mig i alt en carboni.

Els acers al carboni només contenen concentracions residuals d’impureses distintes al carboni.

Acers aliats: els elements d’aliatge s’afegeixen intencionadament en concentracions específiques.

La majoria dels acers tenen menys de 9 àtoms de carboni per cada 100 de ferro. El percentatge de massa de carboni en l’acer és gairebé sempre menys de 2%..

El carboni és més lleuger sempre i s’expressa pel percentatge de massa total.

Tipus d’acers al carboni:

Característiques principals dels acers al Carboni.. La resistència com la duresa (Brinell) i el límit elàstic augmenten amb l’augment de

Carboni. La ductibilitat i la tenacitat disminueixen amb l’augment de Carboni.

Cal considerar que com més quantitat de C hi ha en un acer, més difícil és la seva

soldadura.

Una gran finor de gra suposa aconseguir un acer amb millor resistència. Més finor i més carboni suposa més resistència. Menys finor i menys carboni suposa més ductibilitat.

El carboni té un gran influència en el comportament mecànic dels acers. La resistència d’un acer simple amb 0.5% de carboni és

més de dues vegades superior a l’altre amb 0.1%. Si el contingut de carboni arriba al 1%, la resistència

gairebé triplica pel que fa al nivell de referència del 0.1%.

El carboni, generalment, redueix la ductilitat de l’acer. Un acer de 0.1% de carboni és més de quatre vegades més

dúctil que un altre amb 1% de carboni i dues vegades més que un tercer amb 0.5% de carboni.


147


148

Tractaments tèrmics

Tipus de tractament tèrmics:

Recuit. Tractament tèrmic d’un material exposat a elevada temperatura durant un període de temps i,

després, refredat lentament. El recuit es porta a terme per:

Eliminar tensions. Incrementar la plasticitat, la ductilitat i la tenacitat. Produir una microestructura específica..

El procés de recuit consta de tres etapes: Escalfament a la temperatura prevista. Manteniment o “impregnació tèrmica” a aquesta temperatura. Refredament, generalment fins a temperatura ambient.

Esferoidització: (o globulització)

Esferoidita: Acer al carboni que s’obté per mitjà d’un tractament tèrmic. S’escalfa l’acer amb microestructura perlítica fins a una temperatura per sota de la

temperatura eutectoides durant un període de temps relativament llarg (18h ~ 24h) i després es deixa refredar. Es deixa refredar dintre del forn. El forn i l’acer arriben a la temperatura ambient a la

mateixa velocitat; sol necessitar varies hores. L’objectiu és eliminar tensions.

Els acers mitjos i alts en carboni poden ser massa durs per a la deformació plàstica i per al mecanitzat. Es recouen per a desenvolupar la microestructura d’esferoidites.

L’acer esferoiditzat té la màxima blanor i ductilitat i és fàcilment deformable.

Tremp: El Tremp és l’enduriment de l’acer que normalment s’obté escalfant-lo al voltant de 800ºC i

després refredant-lo sobtadament per immersió en un líquid. El tremp es deu a una important transformació de l’estructura atòmica de l’acer.

L’austenita té una capacitat per a acceptar C de l’ordre de 40 vegades superior a la ferrita. L’objectiu de trempar un acer és uniformitzar l’estructura.

Es pot aconseguir només un trempat en superfície, però normalment no és el que es vol.

En el procés de trempat l’acer passa d’una estructura de ferrita + cementita a una d’austenita + cementita.

Una part de cementita es descompon per a enriquir de carboni les zones on ha de formar-se l’austenita.

El carboni queda atrapat en el mateix lloc on es trobava en l’austenita. Els àtoms de ferro intenten acomodar-se en la xarxa cristal·lina de la ferrita, aleshores

l’espai del carboni es torna insuficient. Es produeix una fase anomenada Martensita.

Severitat del Trempat:

S’utilitza per indicar la velocitat de refredament. Un acer molt sever és aquet que s’ha obtingut via un trempat molt ràpid. Hi ha tres mitjans de tremp: aigua, oli i aire

L’aigua produeix un tremp més sever seguit per l’oli, que és més efectiu que l’aire. Els trempat es solen fer amb oli ja que es pot controlar molt bé el refredament. La velocitat de refredament en l’interior de l’estructura de l’acer varia amb la posició i

depèn de la grandària i de la geometria de la proveta. Els diàmetres de les provetes també influeixen en la distribució de dureses.

Per als acers alts en carboni (i en menor mesura en gral.) un tremp molt sever (p.ex.

en aigua) suposa l’aparició de tensions internes que poden conduir a deformacions i fins i tot l’esquerdament.


149

El refredament a l’aire de l’acer al carboni generalment produeix una microestructura gairebé totalment perlítica.

Comportament mecànic dels acers al carboni:

Perlita: Compost format per cementita i perlita. La cementita és més dura i fràgil que la ferrita.

Si augmentem la quantitat proporcional de cementita (Fe3C), amb els altres elements constants, aconseguim un material que és més dur, però que alhora és més fràgil.

Els acers perlítics no són tenaços a causa de la microestructura.

Recordem que tant la resistència, la duresa Brinell i el límit elàstic augmenta amb el Carboni. Però disminueix la seva ductilitat i la tenacitat

Esferoidita:

L’acer esferoiditic és molt tou. Els acers esferoidizats són extremadament dúctils, molt més que els de perlita fina o gruixuda.

Els acers amb microestructura perlítica donen valors de duresa i resistència superiors als acers amb esferoidita.

Martensita.

Acer al carboni obtingut per refredament ràpid (o tremp) d’un acer austenític amb una quantitat de carboni més elevada de la normal.

Si es refreda l’acer molt ràpidament, aquest por admetre més quantitat de carboni ja que la xarxa es deforma i s’infla. Les substancies obtingudes només són estables per refredament brusc, és per això que

no apareix en el diagrama de fases ferro – carboni. Són els més durs i mecànicament resistents però fràgils i menys dúctils.

La duresa depèn del contingut de carboni. El tremp ràpid de peces relativament grans poden produir esquerdes a causa de les tensions

internes; problema especialment important si el contingut de carboni ↑ al 0.5% C.

Martensita Revinguda:

La ductilitat i la tenacitat de l’austenita s’incrementa i les tensions internes es redueixen mitjançant el tractament tèrmic conegut com revingut. El revingut es porta a terme escalfant l’acer martensític a una temperatura inferior a la

eutectoide, entre 250 i 650ºC, mantenint-la durant un temps suficient per que l’estructura interna de l’acer es reordeni; encara que les tensions internes es poden eliminar a temperatures d’uns 200ºC.

És un procés similar al de l’esferoidització però ara es realitza amb acer martensític.

Bainita. Acer produït per un procés de refredament, però en aquest cas és més lent que en la

Martensita. Són més durs i resistents que els perlítics perquè tenen una estructura més fina a força de

partícules diminutes de Fe3C en una matriu Ferrítica, una interessant combinació de resistència i ductilitat.

La Bainita és una estructura termodinàmicament inestable, de la mateixa manera que la Martensita.

La martensita resultant del tremp és molt dura i molt fràgil.


150

Fragilitat del revingut:

Alguns acers revinguts disminueixen la tenacitat determinada mitjançant la resistència al impacte.

Aquesta fragilitat ocorre quan l’acer és revingut a temperatures superiors a 575ºC i es refreda lentament fins a temperatura ambient o quan és revingut a temperatures compreses entre 375 i 575ºC .

El trencament ocorre al llarg dels límits de gra austenítics. La fragilitat de revingut es pot prevenir per:

Control de composició. Escalfament superior a 575ºC o inferior a 375ºC seguit de tremp a temperatura ambient.

La falta de tenacitat d’un acer fragilitzat es pot resoldre escalfant a 600ºC i refredar

ràpidament a 300ºC .

Els acers aliats susceptibles de fragilitzar-se per revingut contenen apreciables percentatges d’elements d’aliatge com manganès, níquel o crom i, a més, petites concentracions d’una o més impureses com antimoni, fòsfor, arsènic i estany.

Revisió de les transformacions de fase dels acers:

Austenita:

Refredament lent: Perlita [ Ferrita (α) + Cementita (Fe3C) + Fase proeutectoide ].

Refredament moderat:

Bainita [ Ferrita (α) + Cementita (Fe3C) ].

Refredament ràpid: Martensita.

Reescalfament. Martensita revinguda [ Ferrita (α) + Cementita (Fe3C)].

Tractaments tèrmics dels acers:

Els tractaments tèrmics convencionals per a produir acers martensítics solen consistir en refredaments ràpids i continus d’una mostra austenítica, en un mitjà de tremp, tal com aigua, oli o aire.

Les propietats òptimes d’un acer temperat i revingut s’aconsegueixen només si: Durant el tractament tèrmic de tremp la mostra adquireix un alt contingut en martensita.

Si es forma perlita i/o bainita resulta una altra combinació de característiques mecàniques.

Durant el tractament tèrmic del tremp és possible refredar la mostra a velocitat uniforme, encara que la superfície sempre es refreda més de pressa que al interior.

Per tant, l’austenita es transforma en un tram de temperatures, obtenint una possible variació de microestructures i propietats.

El tractament tèrmic adequat de l’acer per a produir una microestructura martensítica en tota una secció d’una mostra depèn fonamentalment de tres factors: Composició de l’aliatge. Tipus de caràcter del mitjà de tremp. Grandària i forma de la mostra.


151

Trempabilitat:

La trempabilitat és una mesura de la profunditat a la qual un aliatge específic pot endurir-se. Un acer aliat d’alta trempabilidad és aquell que endureix, o forma martensita, no només en la

superfície sinó també en el seu interior.

Assaig Jominy:

En aquest assaig es mantenen constants tots els factors que influeixen en la profunditat de l’enduriment de la peça, excepte la composició.

Consisteix en:

Una proveta cilíndrica de 25mm de diàmetre i 100 mm de longitud es d’austenita a una temperatura i durant un temps determinat.

Després de treure-la del forn s’instal·la immediatament de manera que indica la Figura (a).

L’extrem inferior es tempera mitjançant un doll d’aigua amb una velocitat de flux i una temperatura específica, d’aquesta manera la velocitat de refredament és màxima en l’extrem temperat i disminueix al llarg de la proveta.

Una vegada que la proveta s’ha refredat a temperatura ambient, s’escalaborna una tira de 0,4 mm d’espessor i es determina la duresa al llarg dels 50 primers mil·límetres de la proveta (Fig.) En els primers 12.5 mm les lectures de duresa es prenen a intervals de

1.6 mm i en els 37,5 mm següents cada 3,2 mm.. Es traça una corba de trempabilidad representant els valors de duresa en

funció de la distància a l’extrem temperat.

L’extrem temperat es refreda més ràpidament i presenta un màxim de duresa. En aquesta posició i en la majoria dels acers, la microestructura coincideix amb 100%

de martensita.

La velocitat de refredament decreix amb la distància de l’extrem temperat i la duresa també disminueix.

Al disminuir la velocitat de refredament, el carboni disposa de més temps per a la difusió i

facilita la formació de perlita més tova, que pot estar barrejada amb martensita i bainita.

Un acer amb alta trempabilitat manté valors elevats de duresa durant distàncies relativament llargues; un de baixa trempabilitat no.

De vegades és més convenient relacionar la duresa amb la velocitat de refredament

que amb la distància a l’extrem.

Les corbes de trempabilitat també depenen del contingut en carboni.


152

Exemple d’anàlisi d’una corba de trempabilitat:

Corba de trempabilitat per a cinc diferents acers aliats que contenen 0,4% C i diferents quantitats d’aquests elements aliats

Els cinc aliatges tenen la mateixa duresa en l'extrem temperat (57 HRC); la magnitud del qual només depèn del contingut en carboni, que és el mateix en totes aquests aliatges.

Característiques d’aquestes corbes:

La trempabilitat de l’acer al carboni 1040 és baixa perquè la duresa descendeix precipitadament a 30 HRC, després d’una distancia Jominy relativament curta.

Les disminucions de duresa en els altres quatre acers aliats són clarament més graduals.

En l’extrem temperat, on la velocitat de tremp és aproximadament de 600ºC/s, es forma

martensita 100% en els cinc aliatges..

A velocitats de refredament menors de 70ºC/s, la microestructura de l’acer 1040 és predominantment perlítica, amb restes de ferrita proeutectoide.

La microestructura dels quatre acers aliats consta fonamentalment de martensita amb

perlita o bainita.

S’explica que per la presència de níquel, crom i molibdè en els acers aliats retarden les reaccions austenita - perlita i/o bainita, el que permet que es formi més martensita i, per tant, més duresa en el sistema.

Qüestions de terminologia:

Treball amb fred:

Suposa treballar a temperatures inferiors a la temperatura de fusió.

És per donar forma o donar tensions un acer.


153


154

Acers Aliats

Acers Aliats:

Aliatges Fe-C i un altre element (o més d’un) en proporció tal que hi ha una modificació sensible

d’una o més propietats dels acers. Els principals elements d’aliatge són: (màx. % d’addició)

Ni (30), Cr (30), Mn (14), Si (4), W (20), Mo (8), V(5), Cu (2), Al (12), Co (18), Ti (1,6).

Classificació dels Aliatges segons el % del tercer element:

Acers de Baix Aliatge. El % del tercer element és inferior al 5%.

Per refredament es donen les estructures típiques d’un acer ordinari.

Acers d’ Alt Aliatge. El % del tercer element és superior al 5%.

Per refredament és donen tres tipus d’estructura: Martensítica, Ferrítica o Austenítica. Cada tipus d’acer només dona un d’aquest tres tipus d’estructura.

Classificació dels Aliatges segons l’estructura:

Acers Perlítics:

Són acers poc aliats i els tractem com acer ordinaris. S’obtenen a partir d’un trem a l’aire o a l’oli.

Acers Martensítics: (o autotrempants)

S’obtenen a partir d’un trem a l’aire.

Acers Austenítics: Són acers dúctils i resistents al desgast. N’hi d’estables i d’inestables:

Estables: ‘Ni’ i ‘Mn’ suficient per ser austenítics a totes les temperatures. Són insensibles als tractaments tèrmics.

Inestables: 18% Cr – 10% Ni són austenítics per refredament ràpid en aigua o oli des de 1200ºC.

Acers Ledeburítics:

Acers semblants a les foses. S’obtenen a partir d’un trem a l’aire de 1000 a 1300ºC.

Acers Ferrítics:

Acers amb la fase principal ferrítica.

Estat dels elements d’aliatge:

Si, Ni, Al, Co, Cu Es troben en solució a la ferrita.

Mn, Cr, W, V, Mo, Ti, Es troben combinats com a carburs. Són substancies a part de la cementita.

Aquest últims impliquen més duresa i més resistència al desgast a l’acer.


155

Influencia dels elements d’aliatge:

En el diagrama Fe-C:

Desplacen el punt eutectoide a l’esquerra (cap al 100% de Fe).

10% Ni i 5% Cr impliquen que d’eutectoide es desplaci fins al 0,5%C.

També es pot desplaçar en sentir ascendent o descendent segons els aliatges formats.

Modifiquen la temperatura eutectoide Tc.

Ti, Mo, W, Si → Augmenten Tc. Mn, Ni → Disminueixen Tc

Per un % de C fix: Cr, V, Mo, W, Ti, Si, Al → Estabilitzen la ferrita.

Si % de l’element és superior a ‘A’ trobem acers ferrítics a totes les temperatures. Ni, Mn, Co, Cu → Estabilitzen l’austenita.

En els tractament tèrmics: Milloren la trempabiliat.

Per a un mateix % d’element: (De més menys) + > V > Mn > Mo > Cr > W > Si > Ni > – .

Baixen la temperatura de transformació en martensita. Fan més lentes les transformacions:

Els recuits són més lents i els revinguts més difícils.

En les propietats mecàniques: Augmenten la resistència i el límit elàstic. Els elements formadors de carburs augmenten la duresa de l’acer.

Acers Inoxidables:

Al Crom:. Ferrítics: no poden ser trempats. Martensítics: poden ser trempats

L’estructura ve determinada per %C i %Cr.

Al Crom – Níquel: Austenítics: no poden ser trempats.

L’estructura ve determinada per %Ni.

Bateria de cuina [0,10% C + 13% Cr], Resistent amb aigua de mar [0,22% C + 16~17,5% Cr + 2% Ni], Resistència als àcids (aigües residuals) [0,05% C + 17~18,5% Cr + 19 ~ 20,5 % Ni, 2 ~3% Mo + 2% Cu + Nb (niobi en traces)]

T (ºC) γ 908 α A % element d’aliatge

T (ºC) γ 908 α α + γ

% element d’aliatge

γ + α


156

Característiques de cada element d’aliatge:

Cr: Augmenta la duresa ja que forma carburs molt durs. Augmenta la resistència a la corrosió.

0 ~ 2 % Cr → Acers Perlítics. 2 ~ 16 % Cr → Acers Martensítics. 16 % Cr → Acers Austenítics.

Característiques pròpies segona la composició: 1 % Cr → Utilitzat per a la fabricació d’eines. 17 % Cr → Acers Inoxidables ferrítics. 25 ~ 30 % Cr → Acers Refractaris.

Ni.

No modifica la ductibilitat. Millora la resistència a la fatiga.

0 ~ 8 % Ni → Acers Perlítics. 8 ~ 22 % Ni → Acers Martensítics. > 22 % Ni → Acers Austenítics.

Característiques pròpies segona la composició: 2 ~ 5 % Ni → Acers estructurals. 25 ~ 35 % Ni → Resistència Química. 9 % Ni → Conserva les propietats mecàniques fins -200ºC. 35,5 % Ni → Invar: Utilitzat per la fabricació de regles, patrons, ... 46 % Ni → Platinit: Utilitzat en elèctrodes de làmpades incandescents,

termòmetres, termòstats, intermitents, ...

Mn: Disminueix la ductibilitat.

0 ~ 2 % Mn → Acers Perlítics. 2 ~ 12 % Mn → Acers Martensítics. > 12 % Mn → Acers Austenítics.

Els acers austenítics de Mn presenten tenacitat, duresa i resistència al desgast.

Si: Afavoreix la descomposició de cementita (Fe3C) a C grafit.

3,5 % Si + 5 % Cr → Resistència a l‘oxidació a altes temperatures.

Mo: Millora la Resistència a tracció a altes temperatures. Desenvolupa un acer més resistent a la Fluència. Redueix la fragilitat del revingut dels acers inoxidables.

W:

Forma carburs molt durs i estables. Millora la resistència al desgast de l’acer.

Cu:

Millora la resistència a la Corrosió. Millora la Duresa. Baixa la Trempabilitat.


157


158

Tractaments Superficials

Tractaments Superficials:

Fatiga: Un acer es pot fisurar a causa d’estar sotmès a esforços de fatiga.

Aquest comencen a la superfícies produint esquerdes. Per millorar el comportament d’una peça davant la fatiga s’ha de millorar o augmentar la

resistència de la superfície de la mateixa peça. Solucionant el problema en superfície es soluciona la fatiga en profunditat.

Tipus de tractaments superficials:

Tremp Superficial:

Procediment

S’escalfa la peça superficialment amb un bufador o per corrents induïdes. Es refreda el metall ràpidament amb aigua.

El trem penetra d’1 a 10 mm en el metall tractat.

El trem no és el millor mètode a utilitzar ja que es poden crear fissures per sotmetre

l’acer a una retracció massa ràpida.

Cementació:

Enduriment superficial per augmentar el % de C en el metall.

Procediment: Es parteix del metall en forma austenítica (ja que el C es dissol millor) a 900 ºC. S’introdueix la peça en un mitjà capaç de cedir C. Pot ser:

Sòlid: C i BaCO3. Procés lent i molt car..

Líquid Cianurs i sals alcalines. Es poden assolir penetracions de 0,2 a 3 mm.

Gas CO + gas natural. Es poden assolir penetracions d’uns 1,5 mm.

El gruix de la capa cementada depèn de:

Temperatura. Cementant. Duració.

La duració pot ser de 4 a 8 hores.

Una vegada feta la cementació es fa un tremp i un recuit de regeneració..

En els acers ordinaris i els acers de baix %C s’assoleixen quantitats de fins a 0,9% de C a la capa cementada.

Obs: l’augment de C fa augmentar la duresa però també fa disminuir la ductibilitat..


159

Cianuració:

Procés per a endurir peces petites.

Procediment: S’escalfa a 800ºC en un bany de NaCl, Na2CO3 i NaCN líquid durant una hora.

La duresa superficial és deguda al C i al N.

El gruix de la capa cementada no és convenient que passi de 0,3mm.

Nitruració:

El N forma nitrurs molt durs amb el ferro i altres elements.

Procediment: Es sotmet la peça a trem i revingut. Després s’escalfa a uns 500ºC i es fa passar una corrent de NH3.

El gruix de la capa cementada és de 0,7 mm i s’arriba a 0,6 ~ 1 % de N a la superfície.

S’aplica a acers aliats amb Cr, Mo, Ni, Al.

En els acers al C, els nitrurs poden penetrar donant fragilitat.

Avantatges sobre la cementació: Temperatura de tractament més baixa. No hi ha tractament tèrmic posterior. Duresa més alta. Resistència a la fatiga i a la corrosió.


160

Betum

Petroli:

El betum és un residu de la destil·lació del petroli.

Localització del petroli.

El petroli és una substancia que es troba a la natura.

Procedeix de la descomposició d’organismes vius que han patit un procés de transformació sense presència d’oxigen, a alta pressió i temperatura i amb la presència de bacteris anaeròbics (que s’alimenten de C o S).

El petroli es troba en l’escorça terrestre, en conques que han estat enfonsades i soterrades per diferents capes de pedra .

Té una formació sedimentària. A causa de la tectònica de plaques el petroli emigra, de manera que la roca on s’ha format n o

és la mateixa que la roca o es pot trobar en l’actualitat. La roca on es forma és la roca mare i la roca o es troba en l’actualitat es la roca hoste.

En una primera edat els organismes animals i vegetals i les bactèries són sotmesos a grans

pressiona i temperatures que causes transformacions químiques en els components. Es forma el Kerogen.

El procés continua i el kerogen, sota les altes temperatures i pressions es transforma amb el temps (podem passar milions d’anys).

Es forma el Petroli.

Extracció del petroli.

L’extracció de petroli es realitza a traves d’unes punxades que travessen les capes d’argiles (molt impermeables) fins a les bosses de petroli. (també existeixen afloraments superficials).

Només una de cada set punxades és efectiva. Les punxades normalment es realitzen en zones argiloses (capes impermeables). Sovint en una punxada el primer que surt és aigua de mar ja que els jaciments de petroli

solen estar formats en conques marines.

Composició del petroli:

Part orgànica: Parafines. Hidrocarburs saturats (majoria) i no saturats. Aromàtics i no aromàtics de sofre. Asfaltens. Compostos complexes de molt alt pes molecular, rics en N, S, O i metalls.

Part Rocosa, sediment:

Roca mare: sediment de gra fi (calcària o argila). Roca hoste o magatzem: silícies erosionades (venen de la mare i es concentren) i

carbonatades. Cobertura: argiles o dipòsits salins.

Usuari

Nota adhesiva

Pàg 161-236 75 pàgines


161

Destil·lació del petroli:


162

Betum:

El betum és d’origen orgànic (prové del petroli). És un líquid viscós constituït per hidrocarburs i derivats solubles en S2C.

Composició:

Està format per material orgànics: C, H, S, O, N i alguns metalls Els seus compostos principals són compostos orgànics de cadenes llargues.

Es parla de masses moleculars de 10.000 cap amunt. Les cadenes són:

Cadenes de 9 ~ 10 àtoms de C fins a 100 o més. Saturades. Amb molt pocs enllaços dobles. Alifàtics, es a dir, de cadena oberta. Amb pocs nuclis benzènics o pentànics.

Obtenció, betums naturals:

El betum s’obté per destil·lació del petroli. Podem trobar afloraments superficials de petroli.

N’hi ha molt pocs d’aflorament superficials, els quals surten en forma de petroli i es veuen sotmesos a una destil·lació natural quedant només un dipòsit de betum. Actualment hi ha dipòsits naturals a la Illa Trinitat (és el més important, té 40 hectàrees

i uns 60m de profunditat) a les Bermudes (amb una profunditat de 2’5 m) i a Cuba. També hi ha altres productes previs al betum o similars:

Sorres asfàltiques (en procés de transformació) : Nyul (Romania). Roques: Gilsonita (98 % sol. en S2C), Grahamita.

Betum de Trinitat:

Composició del llac natural: 39 % de betum. 30 % de filler en forma col·loïdal. 31 % d’aigua salada emulsionada.

A partir d’un procés de refinament, és a dir, extreure l’aigua salada, obtenim el

“Trinidad Epure” (57 % soluble en S2C) El betum de trinitat és d’una qualitat molt bona, però és escàs.

Es ven en bloc sòlids envoltats de fusta obtinguts L’utilitza una empresa alemanya com a adició en un betum artificial.

Betum de Bermudes:

Composició del llac natural: 64 % de betum. 2 % de filler en forma col·loïdal. 30 % d’aigua.


163

Famílies de productes:

Fracció soluble en S2C: Asfaltens. [són pràcticament sòlids a temperatura ambient] Maltens.

Reïnes. Tenen àcids naftàlics ( el Naftalè té un anell pentànic + COOH) i normalment porten pentà (líquid a temperatura ambient). [poden ser solides o liquides a temperatura ambient]

Olis. En conjunt té una lleugera acidesa (d’àcid dèbil).

Insolubles en Cl4C:

Carbens. Són residus d’oxidació causats per les altes temperatures. Son ‘substancies cremades’ que poden tenir C pur. Són components indesitjables, no els fem servir. Convé que no n’hi hagi gaires.

Les proporcions depenen de.

Procés de separació. Origen del petroli. Procés de fabricació.

Característiques generals dels betums:

El betum flueix amb molta facilitat a altes temperatures i és molt fràgil a baixes temperatures. Els betum no s’oxiden amb facilitat, l’oxidació en el betum és un procés molt lent.

L’oxidació en els betums només s’activa amb la llum, que és l’energia que activa els enllaços dels hidrocarburs.

Els betums envelleixen en la carretera, però és un procés molt lent. (pot tardar entre 20 ~ 30 anys).

Se sap que un betum ha envellit ja que acaba actuant com a un sòlid rígid i es fissura a causa dels esforços que ha de suportar.

Els olis que els cotxes van perdent es barreja amb el betum i fa que aquest es regeneneri. (sempre i que la quantitat d’oli perduda no sigui excessiva).

El betum és deformable. Podem formar ferms flexibles, a partir de diferents capes de betum, capaços d’absorbir

càrregues molt altes.

Terminologia:.

Betum: A la UE “Betum” mentre que a USA “Asfalt Cement”

Betum + pedra: A la UE “Mescles Bituminoses” mentre que a USA “Asfalt”.

El quitrà no és betum.

El quitrà és un destil·lat de la hulla (Carbó mineral situat entre els carbons subbituminosos i l'antracita), és cancerigen i d’una qualitat més baixa , fat que ha suposat deixar-lo de banda i ara no s’utilitza.

Nota històrica: abans d’utilitzar betum mesclat amb pedra s’utilitzava el Macadam, consistent en pedra aplanada i un posterior reg de betum.

No suposava una gran adhesió, però era suficient pel poc transit que hi havia.


164

Reologia: Ciència de la deformació i fluència de la matèria.

Estructures del Betum:

Estructura Pfeiffer – Saal. El betum presenta una estructura col·loïdal del tipus ‘sol’ , és a dir,

un equilibri col·loïdal de partícules sòlides. Sol: fase dispersa sòlida i fase dispersant líquida.

Les partícules sòlides són els asfaltens. El medi dispersant és l’oli.

Totes les partícules es repel·len donant estabilitat al conjunt.

Constatació del caràcter col·loïdal dels betums. Propietats:

Plasticitat, elasticitat i tixotropia demostrat per raig X i microscopi electrònic. Fenomen Tyndall al ultramicroscopi.

Dispersió de la llum visible per les partícules col·loïdals. Moviment Brownià.

Moviment en zig-zag de les partícules, visible sota un feix de llum en un microscopi..

Mescla liquida: Mescla homogènia de totes les substàncies on predomina l’estat líquid.

Aquest tipus de betums no són aplicables a les carreteres.

Estructura gèlida (de gel): Gel: fase dispersa líquida i fase dispersant sòlida.

El medi asfaltè forma una xarxa tridimensional i els maltens estan entre la xarxa de partícules sòlides.

Aquest és un betum per impermeabilitzar. No és un betum aplicable a les carreteres ja que no disposa del caràcter oliós.

Propietats reològiques del betum:

Termoplasticitat:

La viscositat es redueix quan s’escalfen i s’augmenta quan es refreden. La propietat és reversible.

Viscoelasticitat:

Una part de la deformació és elàstica i una és irrecuperable (moviment viscós).

A mida que s’escalfa augmenta la viscositat, mentre que amida que es refreda augmenta l’elasticitat.

Per un líquid el paràmetre característic és la viscositat.

Viscositat: Relació entre tensió i deformació a esforç tallant. Per un sòlid elàstic el paràmetre característic és el mòdul elàstic.

Com més gran és el Mòdul més resposta rígida.

Reïnes Asfaltens (separable

amb heptà) Medi oliós

Feix de llum no visible Solució de NaCl Fum de tabac (aerosol)


165

Comportament com a adhesiu.

El betum té un caràcter adhesiu a causa de la seva polaritat (càrrega elèctrica). Els betums tenen una polaritat molt baixa.

Els betums no són ni sòlids ni líquids perfectes, són líquids que no mullen a temperatura normal o ambient.

L’aigua és polar i una pedra també té càrregues per tant mullarà sempre la pedra més que el

betum. L’aigua desplaça al betum d’una superfície de pedra.

La presència d’aigua en el betum és perjudicial per la seva aplicació en els ferms.

Les pedres que millor lliguen amb el betum són aquelles que tenen una polaritat positiva (com la calcària), mentre que els granits no són gaire propicis en aquest aspecte.

La relació amb l’aigua és el problema principal del Betum.

En el cas que el betum, la pedra i l’aigua coexisteixen la polaritat de l’aigua atrau a la pedra. El betum és desplaçat per l’aigua i pot provocar una emulsió de betum i aigua.

Les pedres perden el seu element cohesionant, es desenganxen i queden lliures (a la superfície de la carretera).

El problema se soluciona evitant que l’aigua estigui en contacte amb la pedra.

S’esclafa el betum i la pedra per treure tota presencia d’aigua. S’aconsegueix, a partir de la dosificació i de la mescla, pel·lícules de betum al voltant de

la pedra gruixudes i elàstiques, per evitar el seu trencament i el conseqüent contacte amb l’aigua.

Sempre existeixen uns límits, ja que molt betum suposa molta deformabilitat. La dosificació és molt determinant, sobretot en climes humits.

UK: utilitzen més betum ja que es troben en un clima humit, partint de mescles base

diferents a les nostres.

Nosaltres: utilitzem poc betum ja que ens trobem en un clima més aviat sec i no ens podem permetre gaire deformbilitat..

A l’estiu podem assolit temperatures de 70ºC en superfície, estem en un país muntanyós (fat que augmenta els esforços tallants) i tenim una tolerància de 13 tones per eix.


166

Caracterització del betum:

Consisteix en mesurar la viscositat i la resposta elàstica del betum

Assaig de penetració:

Mostra de betum mantinguda a 25 ºC (millor si la temperatura és exacte), sobre la que s’aplica una agulla amb una sobrecàrrega de 100g durant 5 s i es llegeix la penetració en 1/10 mm

Com més tou sigui el betum més gran serà el valor. És molt important determinar la temperatura ja que una petita variació pot significar

canvis significatius.

No correspon a cap característica física, ni situació real de l’aplicació del betum, és una característica “abstracta” còmoda.

S’utilitza molt en assaig del tipus de “control”.

Els límits de penetració determinen el tipus de Betum. Sempre s’acoten entre un valor màxim i un valor mínim. En carretera es solen utilitzar betum del tipus: 40/50, 60/70, 80/100. Com més petits siguin aquets valors, més resistent i fràgil serà el betum.

Zona calurosa i sense problemes d’enduriment al hivern: 40/50 Zona costanera: 40/50 Zona interior amb possibilitat de gelades esporàdiques: 60/70 Zona de muntanya: 80/100

Existeixen altres dureses classificades, però no s’utilitzen en carretera.

20/30 (molt dur) i 150/200, 200/300 (molt tous).

Assaig del Punt de Reblaniment:

Sensibilitat tèrmica: Les mescles bituminoses no tenen un punt de fusió determinat, ja que són mescles de

moltes substàncies. L’assaig del punt de reblaniment no és un assaig de punt de fusió. És un assaig de

deformació, en condicions de laboratori, que dona una idea de la sensibilitat tèrmica de cada betum.

Es determina la temperatura a la que un betum presenta una estructura interna tal que la tensió

a la que és sotmesa una mostra en forma d’anell pel pes d’una bola d’acer provoca una deformació irreversible.

S

’escalfa la mostra a una velocitat aproximada d’un grau per minut. Es mesura la temperatura en la que la llàgrima de betum toca una superfície situada a

una distància estipulada.

A l’estiu s’assoleixen temperatures molt elevades, sovint superiors a la del punt de reblaniment. Aquest problema se soluciona tendint a utilitzar betums més durs i/o betums filleritzats

(s’afegeix filler que actua com a espessant) [amb el filler augmentem el punt de reblaniment.].

Penetració TºPRC Ductilitat a 25º (cm) 80-100 42-48 > 100 60-70 46-51 > 80 40-50 50-56 > 60 20-30 52-68 > 25


167

Índex de penetració: (de Pfeiffer i Van Doornal) [membres de la Shell]

Experimentalment es va comprovar que a la temperatura del punt de reblaniment tots els betums tenen una penetració aproximada de 800.

Basant-se amb aquest fet P. i V.D. van definir una mesura empírica de la susceptibilitat tèrmica:

Índex de Penetració:

Si IP està entre 1 i -1 el betum val per l’ús en carretera. Els que tenen un IP < -2 són massa fràgils a baixa Tº. Els que tenen un IP > 2 són molt poc sensibles a T baixes i serveixen per

impermeabilitzacions, juntes etc.

Nota històrica: la casa Shell va ser una de les primeres en investigar sobre els betums i altres camps de l’enginyeria civil.

Va finançar la construcció de la universitat de Delft, una de les més potents en el camp de l’enginyeria civil)..

Punt de Fragilitat de Fraas:

Assaig de flexió per comprovar la resistència a la gelada. Es sotmet a flexió repetida una placa metàl·lica recoberta d’una pel·lícula de betum de 0’15

mm. Es baixa la temperatura a una velocitat de 1 ºC per minut i es determina la temperatura en

la que es veu la primera fissura. El valor obtingut s’anomena “Punt de Fraas”. Com més baix (temperatura de fisuració molt baixa) és el punt de Fraas més resistent

és el betum davant les gelades. Els betums tous assoleixen punts de Fraas baixos.

Ductibilitat:

Es sotmet a allargament (mesurat en cm) fins al trencament una proveta de betum a temperatura constant (dins d’un bany termoestàtic) i a velocitat de deformació a tracció de 5 cm/min.

Com més llarga és la proveta abans del trencar-se més dúctil és el betum. Els betums tous tenen tendència a ser dúctils.

Solubilitat:

Es dissol la mostra amb dissolvents orgànics amb clor. (per exemple: Cl3C2H6) La majoria dels dissolvents a utilitzar són tòxics i porten a estats d’embriaguesa.

Contingut en aigua:

Es determina la quantitat d’aigua que pot portar el betum abans de ser utilitzat. En general els betums no porten aigua però pot ser que hi hagi hagut algun vessament.

Recordem que l’aigua és molt perjudicial per l’adherència entre el betum i la pedra.

Punt d’inflamació: Punt en el que el betum s’inflama. El valor es te en compte per qüestions de seguretat.

Normalment en les plantes s’arriben temperatures màximes 60ºC per sota del punt d’inflamació del betum, però sempre és convenient conèixer-lo per si hi ha alguna anomalia.

Densitat relativa:

La densitat del betum és similar a la de l’aigua. Pren valors de 1,03 ~ 1,06 g/cm3.

Es realitza un assaig de pel·lícula fina, una prova de sensibilitat a la oxidació. S’escalfa el betum per augmentar la seva velocitat d’oxidació.

Si el betum no es fa molt dúctil no va be ja que presenta una descohesió ràpida.


168

Mescles Bituminoses

Mescles bituminoses:

Les mescles bituminoses són mescles constituïdes per un lligant bituminós que formant una pel·lícula contínua embolica totes les partícules minerals (graves, sorra i filler).

Màstic: filler + betum. Morters: sorra + màstic + buits.

Nota Històrica: abans de la utilització de les mescles bituminoses s’utilitzava em

Macadam, consistent en pedra compactada i un posterior regat de betum en calent que lligava el conjunt per penetració en la superfície de pedra.

Mescla o aglomerat bituminós:

Graves + sorra + màstic + buits.

Tipus: En calent: Mescla en calent, extensió i compactació en calent.

La gran majoria de les mescles bituminoses són en calent (90%) En fred: Mesclades en fred o calent, però esteses i compactades en fred. (considerant la

temperatura ambient). Les mescles en fred es poden emmagatzema, però són de pitjor qualitat de les

mescles en calent. Les mescles en fred estalvien molta feina i energia però encara no han evolucionat de

manera suficient com per ser substituïdes per les calentes.

Addició de Zeolita sintètica. (Aluminosilicat hidratat) La zeolita s’incorpora en el punt de barreja /a uns 100ºC) de manera que l’aigua

constitucional es desprèn i provoca agitació en la massa de betum. La temperatura de barreja es pot reduir en 50ºC.

Tipus de Mescles Bituminoses:

Les que resisteixen per esquelet mineral.

La resistència o càrrega del conjunt la assumeix la pedra (concretament el fregament entre les pedres) mentre que els esforços tangencials els assumeix el màstic.

Segons granulometria: Continues.

Basades en les corbes de Fuller modificades (porten més fins que el normal). Discontinues.

Basades en corbes amb una discontinuïtat [Utilitzades a Euskadi]. Els salts en la granulometria són substituts per màstic que reforça l’esquelet resistent.

( Zona mes o menys plana). Són mescles molt impermeables però que necessiten molt betum, fet que suposa una

disminució de la resistència.

Les que es basen en la viscositat del conjunt filler betum i en alguns casos contenen un esquelet mineral parcial.

Son betum especials amb addicions de Trinitat i amb molt filler (8%). La mescla tendeix a assolir un zero en volum de buits.. És un sistema complexe i car.

Asfalt Fos (Alemanya).


169

Rodadura

Intermèdia

Base

Subbase

Esplanada

Estructura del ferm en una carretera:

Ferm lligat.

1. Capa de rodadura o capa superior: Suporta els esforços directes causats pels vehicles.

Els esforços de càrrega els transmet a capes inferiors. Suporta un gran part dels esforços tallants (causats pels canvis de velocitat, com frenades

o acceleracions brusques; i les inclinacions, pujades i baixades). Està constituïda per molt betum i molt filler (“capa bona”) i té molt buits.

Té un gruix de 4 a 6 cm. Rep la missió de garantir el “Rodar segur”, és a dir, evitar el lliscament l’aquaplanning (veure

textura superficial) Ha de ser rugosa, regular i plana.

2. Capa intermèdia o Binder:

És una capa molt similar a la de rodadura però es diferencia amb la textura superficial, que no ha de ser tant estricta.

Rep part dels esforços tallants i les càrregues. No cal que tingui la textura de la capa superior ja que no està en contacte amb la roda.

Regularitza el nivell i les ondulacions de la capa inferior. Té un gruix d’un 8 cm aproximadament.

3. Capa base:

Capa amb molta pedra grossa que suporta la major part dels esforços de càrrega. La capa base portq menys quantitat de fins i betum que les anteriors. Ja no suporta esforços tallants i és l’encarregada de dissoldre les càrregues.

Les càrregues que ha de suportant corresponen ela pes per eix. A Espanya aquest valor és de 13 Tones..

És la ultima capa del ferm lligat. Té un gruix de 12cm o més.

Ferm no lligat.

Subbase: Primera capa no lligant. Es col·loca per reduir el gruix de la base i per distribuir les càrregues de manera que no afectin

directament a un punt del sòl. Està composta per pedra i sorra compactada.

Consta d’un material estabilitzat amb ciment en un 2~3% que augmenta la capacitat portant de la capa. .

Esplanada. Sòl aplanat i compactat. Suporta càrregues distribuïdes.

No ha de rebre massa càrregues concentrades per evitar el trencament del mateix sòl.. És millor que no hi arribi aigua, o si n’hi arriba que sigui una quantitat molt petita, per

evitar qualsevol tipus d’inflament. La resta de caper protegeixen l’esplanada de l’acció dels agents externs.

Càrregues


170

E

sque

ma

d’un

ferm

d’u

na c

arre

tera

:


171

Textura Superficial:

Influeix en el fregament de l’esquelet mineral ( sense o amb betum).

Resistència a la lliscada. La resistència la lliscada depèn de la velocitat i de la pluja (aquaplanning).

Per sobre de 80km/h i amb capa d’aigua suposa Aquaplanning. Per evitar el lliscament i el trencament de la pel·lícula d’aigua s’utilitza una superfície

macrorugosa sumat a un drenatge lateral. La macrorugositat s’obté a partir d’una estructura superficial de cantells vius.

L’aigua també es pot evitar utilitzant capes drenants.

Una capa drenant és una capa de mescla bituminosa amb molts buits que fa que l’aigua filtri i surti per les vores de la carretera.

El conatcte entre la capa de rodadura i la capa de rodadura ha de ser impermeable per evitar el pas d’aigua. Aquest sistema funciona molt bé en zones on no plou gaire.

Aquestes capes, però, tenen menys durabilitat ja que les pel·lícules de betum es ressenten de la presencia d’aigua i en cas de gelades, aquestes e produeixen dins de la mescla bituminosa creant tensions.

A les ciutat s’utilitzen superfícies poc rugoses (del tipus de paper de vidre) per evitar

el soroll, però considerant els límits de velocitat no és perillós.

La textura canvia amb el poliment.

Assaig C.P.A. (Coeficient de poliment accelerat). Es prepara unes provetes corbades de morter i se’ls hi col·loquen

les pedres manualment. Les provetes es col·loquen sobre una roda metàl·lica en contacte

amb un altra roda de cautxú (pneumàtic) sense dibuix. Es provoca una acció abrasiva amb l’acció del pneumàtic i abrasius

(3h sorra + 3h esmeril [sorra de sílice] ) i es compara l’energia obtinguda al fregar un pèndul amb una pastilla de goma sobre la pedra abans i desprès del poliment en 0h, 3h i 6h. Si la variació és molt gran els àrids es polimenten molt fàcilment.

Calcàries: Passen de valors entre 0,55 ~ 0,65 a 0,30 ~ 0,35 .

La calcària es polimenta de manera uniforme ja que està constituïda per cristalls, desfent la rugositat.

Granits: Passen de valors entre 0,65 a 0,45 ~ 0,47 .

El granit és una roca molt bona per aquesta funció, ja que està constituïda per Quars, Mica i Feldespat. El quars és molt resistent, mentre que la mica i el feldespat no, fet que suposa que es desgastin a velocitats diferents assolint un desgast diferencial que manté la rugositat amb el temps.

Granulats artificials: Passen de valors entre 0,70 a 0,60 .

Hi ha dos tipus de granulats artificials: les síntesis programades per assolir determinats resultats (molt cares i ja no s’utilitzen), i l’escòria d’acer provinent de les foses de forns elèctrics (han de ser tractades abans de poder utilitzar-les).


172

Formes dels àrids:

La forma dels àrids afecta a la resistència mecànica de la partícula i per tant al fregament de l’esquelet mineral.

Les formes del àrids depenen de la mineralogia, el seu estat de fisuraciói dels equips de trituració en una pedrera

Una matxucadora primària de mandíbules produeix formes aplanades. Una matxucadora primària de martells produeix formes poligonals (3D).

Formes dels àrids en el betum. Les formes planes i les agulles són perilloses perquè es trenquen fàcilment. Les formes arrodonides són poc recomanables ja que suposen deformabilitat. Les millors són aquelles partícules anguloses.

Àrids Granulars:

Granulometria i resistència mecànica:

Granulat Gros. Cal que resisteixin l’abrasió, l‘impacte, la compressió.

Influeix molt la granulometria , la duresa i la forma. Si observem una roda a càmera lenta i amb un gra zoom veurem que ren realitat no roda

sinó que va fent petits saltets, aquets és la raó de la resistència als impactes.

Assaigs en granulats grossos:

Assaig de Los Angeles. Estudia la resistència al desgast i a l’impacte.

Un conjunt de granulats de granulometria fixa i tipificada (7 tipus possibles ) es desgasta dins de un tambor giratori que conté una càrrega de boles d’acer que freguen i cauen sobre les partícules. [veure teoria d’àrids del primer quadrimestre]

Després d’un nombre determinat de voltes (aprox. 1000) es determina la proporció de fins generada ( tamisant per un tamís de 1,6 mm ) i el resultat és el %:

Per capa de rodadura 25% màx. Per capa de base 40 % màx. Per transit mot elevat el màxim es situa al 18%.

Assaig de Friabilitat: (és un assaig complementari que normalment no es fa).

Consisteix en mesurar la resistència a compressió confinada de un pes fix de granulats.

(Pes inicial – Pes final sense els fins generats) del material LA (Los Angeles) = Pes inicial del material

· 100

Agulla Àrid arrodonit

Àrid angulós amb bona forma

Granulat gros > 4 mm. Granulat fi < 4mm. Filler < 0.063 mm

Pedra plana


173

Granulat Fi. (sorra)

Assaigs en granulats fins.

Observació a la lupa (aproximadament amb 40x). La sorra ha de ser cantelluda i rugosa.

Netedat. (assaig de l’equivalent en sorra)

S’han d’evitar les argiles (tant en bancs com en la matriu de la pedra), perquè és molt sensible al contacte amb l’aigua i fer desaparèixer el betum, o altres materials tous.

Assaig de desgast.

Assaig similar al Los Angeles però a petita escala. Les boles de dins del cilindre giratori són d’àgata.

Filler.

Les partícules mes fines no sols omplen l’esquelet si no que constitueixen amb el betum

un sol material que té un gran paper en la reologia de la mescla. Actua com a estabilitat tèrmic del betum creant una emulsió en el cas que hi hagi

afinitat química (sobretot amb les partícules més petites a les 20µm) [la calcaria, el granit i el ciment són bons fillers, mentre que el granit no].

El filler omple la granulometria de la sorra. Aquest nou material s’anomena Màstic.

Al estiu els primers mm d’una capa de rodadura es posen 75 º C el que suposa un reblaniment segur de un betum sense filler.

Si el nostre filler es prou fí i de naturalesa afí amb el betum, el màstic pot arribar a tenir un punt de reblaniment mes alt de 75 º C.

Si el filler es massa fi, o la quantitat afegida és massa gran, l’efecte sobre el sistema col·loïdal del betum pot ser excessivament rigidificant i el fa fràgil, si es massa gros, o hi ha poca quantitat, rigifica poc i el màstic es massa deformable.

Assaigs en el filler. Per determinar la quantitat de filler en un betum.

Densitat aparent en toluè.

S’omple una proveta de toluè i s’hi afegeix 10g de filler, es tapa i es posa en una agitadora durant 15’.

Es posa la proveta recta i es deixa sedimentar durant 6h. Es llegeix el volum del sediment i es relaciona amb el seu pes (sempre

són 10g)

Els valors han d’estar entre 0,5 i 0,8 per considerar-lo acceptable

Efecte hidrofílic: Si el fuller és de naturalesa hidrofílica (per exemple un filler argilós) pot emulsionar el betum amb l’aigua i desplaçar-lo.

Límits d’Atterberg: Determinen IP=0 [Índex de Plasticitat = Límit líquid – Límit sòlid]

Límit Sòlid: mínima aigua que pot absorbir abans de ser plàstic. Límit Líquid: màxima aigua abans que sigui líquid

Percentatge de buits en la compactació.

Coeficient emulsionant: Es prepara una barreja de morter + filler + aigua. Es va afegint una emulsió bituminosa (betum líquid) de manera discontinua. El punt on la mescla total emulsiona és el Coeficient Emulsionant. Si tarda molt en emulsionar vol dir que hi ha argila en el filler, fet que no és propici

en les mescles bituminoses Es determina el Coeficient d’emulsivitat, el qual ha de ser inferior a < 0,06.

Pes del material Densitat Aparent = Volum del sediment


174

Fabricació de Mescles Bituminoses

Planta Discontínua: [Mirar Pràctica]

Permet fabricar mescles bituminoses de diferents dosificacions en un mateix dia.

És el tipus de planta la més utilitzada i la més versàtil

Procés de Fabricació en una Planta Discontinua:

Dels dipòsits en fred s’extreu, de manera aproximada, la quantitat d’àrids que es necessitarà per una dosificació en concret.

Hi ha diferents dipòsits en fred, segons les mides d’àrid.

Els àrids entre en un assecador o forn rotatori [tròmel] per treure l’aigua constituent i aspirar el filler que es troba mesclat entre els àrids.

La temperatura del forn és de 300 ~ 400 ºC. L’aspirador filtra la pols per no contaminar l’atmosfera i recupera el filler per les

dosificacions on es permet utilitzar el filler que ja venia amb els àrids.

Es pugen els àrids fins a la part superior de la torre de la planta, on son garbellats amb tamisos vibrants i redistribuïts en sitges en calent.

Una bascula mesura la quantitat de cada àrid necessària en una dosificació en concret.

S’afegeix el filler d’aportació i el betum i es mescla tot.

Primer s’afegeix el filler i després el betum. El betum prové d’uns tancs separats de la planta en si per seguretat. El filler d’aportació s’emmagatzema en una sitja a part, connectada a la planta.

La mescla es realitza amb pales giratòries i dura aproximadament 45”.

Una vegada el betum ja esta prepara s’aboca en un camió que espera o es transporta en unes sitges especials, s’anomenen, també, dipòsits o sitges en fred.

Són s’utilitzen gaire sovint, només en casos extrems, ja que el betum emmagatzemat perd temperatura. El betum s’ha d’estendre i compactar a 140~150ºC.

Els dipòsits en fred només s’utilitzen quan es preveu que el camió ha d’arribar en un interval de ½h o 1h, si el temps és més llarg el betum s’ha de llençar.


175

Planta Continua:

Planta de producció sense interrupcions. És molt útil per construccions on la demanda és constant i sempre s’utilitza el mateix tipus de

mescla bituminosa.

Procés de Fabricació en una Planta Continua: El procés de fabricació en una planta continua és igual que en una discontinua exceptuant que

en la continua: Les mesures dels dipòsits d’àrids ens prenen com a bones. El garbellat “en calent” només es fa per separar els àrids amb mida excessiva i la

producció és constant.. L’augment de producció esta condicionat per la falta d’exactitud en la dosificació.

Maquinària de posta en carretera:

Estenedores:

Maquinaria destinada a estendre les mescles bituminoses sobre les superfícies ja preparades del sòl.

L’extensió de les mescles bituminoses es realitza des de la primavera a la tardor, ja que al hivern el risc de pluja és més elevat. No es pot estendre amb pluja a causa dels problemes que causa la reacció entre l’aigua i

el betum i les pedres,.

Compactadores: Compactadora de Corró Metàl·lic de Vibració.

Maquinària de compactació que actua per pes (unes 12T) i per vibració. Els corrons van mullats amb sabó per evitar emportar-se la mescla bituminosa al

compactar-la.. Compactadora de Pneumàtics.

Maquinària de compactació que actua per pes i per moviment horitzontal de les rodes. La compactadora de pneumàtics tanca la mescla.

Compactadores mixtes. Compactadores que porten un corró metàl·lic vibratori davant i pneumàtics darrere.

Són útils per obres petites, però desaconsellades per obres grans.

Per aconseguir una bona compactació primer passa la compactadora de corrons metàl·lics i després la de pneumàtics, seguint una sèrie de cicles per assolir la màxima compactabilitat.

La compactació s’ha de realitzar en calent, i en el cas que la mescla baixi dels 80ºC s’ha de deixar de compactar ja que es podrien causar fissures en el sistema.


176

Maquinària utilitzada en la posta en carretera: (annex)


177

Posta en carretera:


178

Dosificació de les Mescles Bituminoses

En Base al Plec General de Condicions 3 (1975, última modificació: 2002)

Nivell de trànsit pesat: [La intensitat mitja diària de vehicles pesats = IMDp]

T 00: Transit excessivament dens.

La IMDp és ≥ 4.000. T 0.

Transit molt dens. La IMDp és 3999~2000.

T 1. Transit força dens.

La IMDp és 1999~800.

T 2. Transit amb una certa fluides.

La IMDp és 799~200. T 3.

Transit fluït. La IMDp és 199~50.

T 4. Transit molt fluid.

La IMDp és <49.

Categories de transit pesat des de T 00 a T 4:

Categoria de transit pesat T00 T0 T1 T2 T31 T32 T41 T42 IMDp (Vehicles pesats/dia) ≥ 4000 3999~2000 1999~800 799~200 199~100 99~50 49~25 < 25

Tipus de Betum a utilitzar:

Es defineixen tres tipus de zones segons la temperatura estival.

Zona Càlida.

Zones seques o de baixa latitud

Zona Mitja. Zones Costaneres Nord o fluvials.

Zona Temperada.

Zones de muntanya.

En capa de rodadura i intermèdia:

En capa base, sota les altres dues:


179

Es defineixen dos tipus de zones segons la precipitació.

Zona Plujosa. Precipitació anual ≥ 600.

Zona Seca.

Precipitació anual < 600.

S’utilitza per determinar les zones de temperatura estival.

Àrids:

Prescripcions generals: Els àrids a emprar en les barreges bituminoses en calenta podran ser naturals o artificials

sempre que compleixin les especificacions Son millors els àrids artificials (angulosos) ja que els naturals (arrodonits), tot i afavorir la

compactació, fan augmentar la deformació. També es podran emprar com àrids el material procedent del reciclat de barreges

bituminoses en calent en proporcions inferiors al deu per cent (10%) de la massa total de barreja.

Assaigs. Abans de passar pe l’assecador de la central de fabricació, l’equivalent de sorra de l’àrid

obtingut combinant les diferents fraccions dels àrids (inclòs la pols mineral) segons les proporcions fixades en la fórmula de treball, haurà de ser superior a cinquanta (50). De no complir-se aquesta condició, el seu índex de blau de metilè haurà de ser inferior a

un (1) i, simultàniament, l’equivalent de sorra haurà de ser superior a quaranta (40).

Àrid gros:

Proporció de partícules triturades de l’àrid gros: (% en massa)

Índex de pedres planes:

Coeficient de desgast Los Angeles de l’àrid gros:

Coeficient de Poliment Accelerat [CPA] de l’àrid gros per a capes de rodadura:

Granulat gros > 2 mm.


180

Àrid fi:

Percentatge d’àrid fi no triturat a utilitzar en la mescla: (% en massa del total d’àrids, inclòs el filler).

Coeficient de desgast Los Angeles de l’àrid fi: Igual que en l’àrid gros.

Filler

Proporció de filler mineral d’aportació: (% en massa de la resta de filler, excloent el que inevitablement està adherit als àrids)

Si hem de treure el filler que porta la sorra s’ha de considerar en la granulometria..

Tipus i Composició de la Mescla Bituminosa:

Fusos Granulomètrics. Passa acumulat: (% en massa)

Granulat fi < 2mm.

Filler < 0.063 mm


181

Tipus de mescla bituminosa a utilitzar en funció del tipus i de l’espessor de la capa.

En el cas de la capa de rodadura normalment el gruix és < 6cm Normalment no es canvia de mescla en el voral, però només es col·loquen les últimes

capes, ja que exigeix maquinaria especifica.

MAM: microaglomerat especial. (no se sol utilitzar).

Dotació mínima de Lligant Hidrocarbonat (*):

(% en massa sobre el total de l’àrid sec, incloent el filler)

S’utilitza en casos on hi ha molt poc lligant.

Relació recomanable de filler – betum (lligant) en barreges bituminoses tipus denses, semidenses i gruixudes per a les categories de tràfic pesat T 00 a T2:


182

Assaig Marshall:

Utilització:

El mètode Marshall és aplicable solament a barreges en calent amb mescles bituminoses que continguin agregats amb grandària màxima igual o inferior a 25 mm.

El mètode pot utilitzar-se tant per al disseny en laboratori com en el control de terreny.

Previ a l’execució del mètode s’han de tenir en compte els següents aspectes: Els materials a usar han de complir amb les especificacions del projecte. La barreja d’agregats ha de complir amb les especificacions granulomètriques del

projecte. S’han de determinar les densitats reals seques de tots els agregats i les de l’asfalt per a

ser usats en l’anàlisi de buits de la barreja.

Mètode:

El mètode utilitza provetes normalitzades de 2½" d’altura per 4" de diàmetre. Aquestes es preparen d’acord a un procediment específic d’escalfament, mescla i compactació. La compactació es realitza per impacte (normalment amb 75 cops)a cada una de les

cares.

Es preparen mescles amb diferents percentatges de Betum i la mateixa granulometria d’àrids. Per cada % de mostra es preparen 5 provetes.

3 per ser trencades a compressió (a 60ºC i amb la premsa Marshall). 2 per l’anàlisi de densitats i de buits.

Les dues característiques principals del mètode de disseny són l’anàlisi densitat – buits i l’assaig de fluència i estabilitat de les provetes.

L’estabilitat de la proveta d’assaig és la càrrega màxima (en KiloNewtons) que aquesta

assoleix a 60°C.

La fluència serà la deformació, en mil·límetres, des de l’instant que s’aplica la càrrega fins a assolir la càrrega màxima.

La densitat es determina amb el pes específic i el volum (es determina parafinant la proveta i submergint-la en aigua per calcular gràcies al principi d’Arquímedes).

Els buits de la mescla es determinen a partir dels valors en humit i en sec.

Si una mescla té pocs buits a l’estiu el betum es desfà i omple el sistema i es sobresatura produint tensions o deformacions.

Compactadores Marshall

Aparell de càrrega Marshall

[No es mot exacte ja que la compactació no s’assembla a la realitzada en obra]


183

El resultat dels assaig de Marshall es representen en una sèrie de gràfiques:

Estabilitat:

Deformació:

Densitat:

Criteris de dosificació utilitzant l’aparell Marshall: (75 cops per cara).

Buits de mescla: Buits que tindria la mescla amb betum.

Buits d’àrids: Buits que tindria la mescla sense betum.

Màxima velocitat de deformació (µm/min) en l’interval de 105 a 120 minuts.

% de Buits en la mescla:

% de Buits en els àrids:


184

Passos a Seguir en una Dosificació:

Previs:

Informació del ferm. Tipus de capa de mescla bituminosa i el seu gruix. Tipus de trànsit al qual serà sotmès. Zona tèrmica estival on es troba.

Informació del material:

Granulometria del àrids. Dades de l’assaig Marshall.

Metòdica:

Determinar les condicions segons les taules de la normativa.

Fus granulomètric. Calcular els valors mitjos de cada tamís pel fus corresponent.

Límits de l’assaig Marshall. Relació Filler - Betum.

A partir del mètode de Rothfuchs determinar el percentatge de cada àrid necessari.

Obtindrem els percentatges dels àrids. 8 /12 . 4 / 8 . 2 / 4 . 0 / 2.

Realitzar la correcció del Filler.

A partir de: Relació Filler – Betum: F/B. Betum deduït de Marshall

Per saber quin és el resultat correcte en l’assaig Marshall hem de prendre:

El % de betum on s’assoleix el màxim d’estabilitat. (A) El % de betum que s’acosta més a un 5% de buits en la mescla. (B)

Realitzem la mitjana dels dos % de betum i comprovem que el resultat compleix les

condicions de deformació i % buits en l’àrid.

Tempteig Gràfic.

L’objectiu és assolir la màxima semblança de valors a la mitjana del fus corresponent. La qüestió és treure filler d’alguna banda ja que se n’ha d’afegir per complir les

especificacions de la relació filler betum. (Mirar exemple)

Es toleren diferencies de ± 0,5%.

En el cas del Filler les diferencies màximes que es toleren són de 0,1% .

Una vegada ja es tenen els valors granulomètrics de cada àrid semblants als del fus i el betum

utilitzar es dóna la dosificació per acabada.

El Filler a utilitzar és:

( )2

A B F+=


185

y Mètode de Rothfuchs (mètode gràfic):

Passos a Seguir:

1. En un paper quadriculat o mil·limetrat dibuixar un rectangle 2 x 1 ( h x 2h) i traçar la seva diagonal (de la cantonada superior esquerra a la inferior dreta)

2. Dividir l’eix de les ordenades en 100 parts ( 0 ~ 100%)

3. Considerar x=0 per l’àrid de grandària màxima.

4. Segons els valors de la ordenada obtinguts per la distribució granulomètrica corresponent

(Fuller, Bolomey, ..) determinar xi de cada tamís segons la projecció sobre la diagonal.

5. Representar les corbes granulomètriques de la grava, la graveta i la sorra amb les dades obtingudes en ( 4. ).

6. Unir el final d’una corba amb el començament de l’altre. (cap i cua). Obtenim dues

interseccions amb la diagonal que corresponen a un determinat % (y1 , y2)

7. Obtenim els % de cada component: (100% - y1 ) = % de Grava. ( y1 - y2 ) = % de Graveta. ( y2 - 0 ) = % de Sorra.

Obs: en el cas de Bolomey s’ha de considerar el 100% de la gràfica com el (100% -

%de ciment) de la dosificació,

y

x

100% -

90% -

80% -

70% -

60% -

50% -

40% -

30% -

20% -

10% -

0% -

8/12

4/8 2/4

y1

y2

2h

h


186

Exemple de Dosificació d’una Mescla Bituminosa:

Es vol dosificar una mescla bituminosa densa per capa de rodadura.

Informació: Es vol un gruix de 4 cm. Trànsit pesant T1. La zona tèrmica estival és temperada.

La granulometria dels àrids seleccionats és:

20 12.5 8 4 2 0.5 0.25 0.125 0.063 Granit 8/12

100 64.3 18.6 0 0 0 0 0 0

Granit 4/8

100 100 100 25 13.3 0 0 0 0

Calcària 2/4

100 100 100 100 56 22 16 8 2.8

Calcària 0/2

100 100 100 100 100 70 50 25 15

Filler ind.

100 100 100 100 100 100 100 100 100

Agafem la corba mitjana corresponent al fus on ens trobem segons la normativa.

El Fus D-12 és de mitjana. 100 - 87.5 - 71.5 - 51.5 - 38.5 - 21.5 - 16 - 9 - 6

La correcció del Filler és:

Relació Filler – Betum: F/B = 1,2 Betum deduït de Marshall = 4,75

Els resultats de l’assaig Marshall són:

% Betum Estabilitat KN Def. mm % B. mescla % B. àrid 4 12 2.2 5.6 16.5 4.5 13 2.4 5 15.8 5 13.5 2.8 4.6 15.3 5.5 12 3.3 4.0 15.5

Per saber quin és el resultat correcte hem de prendre:

El % de betum on s’assoleix el màxim d’estabilitat. 5% Betum El % de betum que s’acosta més a un 5% de buits en la mescla. 4,5 % Betum

L’òptim és (5 + 4,5) / 2 = 4,75%

El Filler a utilitzar és: F = 5.7


187

Tempteig Gràfic. Si hem d’afegir 2 de filler (la suma del filler de l’àrid 2/4 i el 0/2 dóna 3,6 i en

necessitem 5,7) sols el podrem treure de 8/12 o 4/8.

Procediment a seguir:

1r tempteig: El 23% de l’àrid 4/8 passa a 21%.

La suma total dona 88,5 , que està 1 punt més amunt del fus.

2n tempteig: El 21% de l’àrid 4/8 passa a 19%. → El 32% de l’àrid 8/12 passa a 34%.

3r tempteig: El 19% de l’àrid 4/8 passa a 18%. → El 34% de l’àrid 8/12 passa a 35%.

Diferències amb la mitjana del fus corresponent:

4rt tempteig: Cal pujar una mica els passa dels tamisos 0,5 / 0,25 / 0,125 sense afectar molt

el 0,063. En el tamís 20 Podem provar: El 26% de l’àrid 2/4 passa a 15%. → El 19% de l’àrid 0/2 passa a 20%.

20 12.5 8 4 2 0.5 0.25 0.125 0.063 Granit 8/12

35 22.5 6.5 0 0 0 0 0 0

Granit 4/8

18 18 18 4.5 2.4 0 0 0 0

Calcària 2/4

25 25 25 25 14 5.5 4.0 2.0 0.7

Calcària 0/2

20 20 20 20 20 14 10 5.1 3

Filler Aportació

2 2 2 2 2 2 2 2 2

Total: 100 87.5 71.5 51.5 38.4 21.5 16 9.1 5.7 Diferències --- 0 0 0 -0.1 0 0 0.1 0

Recordem que el Fus D-12 és de mitjana. 100 - 87.5 - 71.5 - 51.5 - 38.5 - 21.5 - 16 - 9 - 6.

Aquesta última és definitiva

Àrid 8/12 4/8 2/4 0/2 Total Tamís 20 32 23 26 19 100 Tamís 12,5 20.5 23 26 19 88.5

Àrid 8/12 4/8 2/4 0/2 F Total Tamís 20 32 21 26 19 2 100 Tamís 12,5 20.5 21 26 19 2 88.5

Àrid 8/12 4/8 2/4 0/2 F Tamís 20 34 19 26 19 2 Tamís 12,5 21,8 19 26 2 87,8

20 12.5 8 4 2 0.5 0.25 0.125 0.063 8/12 35 22.5 6.5 0 0 0 0 0 0 4/8 18 18 18 4.5 2.4 0 0 0 0 2/4 26 26 26 26 14.5 5.7 4.2 2.1 0.7 0/2 19 19 19 19 19 13.3 9.5 4.8 2.9 F 2 2 2 2 2 2 2 2 2 Total: 100 87.5 71.5 51.5 37.9 21.0 15.7 8.9 5.6

Dif. --- 0 0 0 -0.6 -0.5 -0.3 -0.1 -0.1


188

Anàlisi de les Mescles Bituminoses

Assaigs a la Mescla Bituminosa:

Assaig d’immersió - compressió.

Consisteix en determinar l’adhesivitat del betum amb els àrids, la cohesió del conjunt.

Metòdica: Es preparen provetes de 10x10 cm.

Tres provetes per cada tipus de percentatge de betum a estudiar.. Es compacten estàticament sota una càrrega de 17Tm.

Es trenca una primera proveta després de la compactació. Es trenca una segona proveta al cap de 24h a 60ºC. Es trenca una tercera proveta al cap de 4 dies a 49ºC.

Els valors de la resistència varien entre 30~60Kp/cm2.

Es calcula la pèrdua de resistència conservada.

La resistència conservada ha de ser >75%.

Si l’adhesivitat de la mescla no és l’esperada es pot canviat el filler de calcària per un filler de ciment de calç.

També és un assaig útil per determinar filler de mala qualitat.

Afavoriment de l’adherència del betum als granulats. Cal obtenir un betum que pugui adherir-se a un granulat humit i no ser desplaçat.

Introduir en el betum grups polars suficientment actius com per desplaçar l’aigua i

donar bona adherència. Cal que l’additiu.

Rebaixi la tensió superficial del betum. Estableixi una unió química amb el betum.

Exemples:

Radicals alquídics de cadena llarga amb grups polars (amina, sal d’amoni, etc.) R - NH3

+ Cl- (en medi H+). Sabons R - COO- K+ (en medi bàsic).

Utilitzar emulsions bituminoses catiòniques (betum en aigua).

L’agent estabilitzant és R - NH3+ i deixa les partícules del betum carregades positivament.

Actuen sobre un granulat positiu, de manera que:

ClH + CO3Ca Cl2Ca + CO3

= CO3

= s’uneix amb R – NH3+.

Utilitzar una emulsió aniònica.

L’agent és un sabó R-COO- K+.

1) Repulsió entre glòbuls quan no hi ha granulat (tensoactivitat). 2) Dipòsit d’una fina pel·lícula de betum sobre el granulat negatiu. 3) La velocitat de ruptura depèn de l’additiu

- Ràpida: amines, amido-amin. - Més lenta: derivats oxietilats.

Cl2Ca (soluble)

Medi Àcid (H+)

Medi Bàsic (OH-)


189

Sols actuen sobre un granulat positiu. Assaig de deformació en pista.

Assaig inventat a UK, però adaptat a la morfologia espanyola.

Aquí tenim un territori molt ondulat (moltes pujades i baixades), força calor a l’estiu i s’accepta un càrrega per eix molt elevada (15T).

Consisteix en imitar la compactació realitzada en obra de la manera més precisa possible per comprovar la qualitat del producte final.

El resultat sempre serà més baix que en la carretera ja que la compactació en carretera és

molt més elaborada.

Metodologia: Es prepares unes provetes Es col·loques les provetes en una plataforma que es mou lateralment i sota una roda de

goma. La roda de goma té unes dimensions de 10 cm de radi i 5 cm d’ample. Pressió del Pneumàtic: 9 Kg/cm2.

Per simular el comportament en una carretera, aquesta es sotmet amb la màxima carrega per eix acceptada en el país.

La pista es mou lateralment amb una freqüència de 42 passos/min i a una temperatura de 60ºC.

L’assaig té una durada de 120 mín.

Es determina:

La relació deformació / temps considerant sols en els últims 15 min. Es tolera un màxim de 15·10-3 mm/mín.

La velocitat en què el la mescla bituminosa es deforma. Vdef = mm deformats/ 15 mín.

Hi pot haver casos on es podreixi una Post – compactació, és a dir, uns deformació lleugera amb el temps durant les primeres edats del la mescla en obra.

Pot ser que la mescla no estès ben compactada i el pas dels vehicles acaba de compactar-la

abans d’entrar en un període d’estabilitat.


190

Esquema complet dels assaigs en les Mescles Bituminoses:

Ajust Granulomètric

Assaig Marshall. Correccions

Amb la dosificació òptima:

Immersió - Compressió.

Deformació en Pista

A Obra:

Es realitza un control de la compactació.

Es poden prendre testimonis directes.. Mètode molt destructiu ja que deixes zones sense pavimentació..

S’utilitzen ones radioactives per veure l’estat de la compactació.

Una vegada s’ha compactat es passen uns regles plans de 2m de longitud per veure si

ha quedat llis el ferm.

El reble ha de tocar tota l’estona al terra, no pot tocar nomes per les dues puntes o només en un punt.

En Planta:

Es realitza un control de la producció.

Composició del Betum.

Extracció del betum amb dissolvent i granulometria dels àrids.

Es realitza un control del producte fabricat.

Provetes Marshall amb mostres del Betum.

El resultat se sap una vegada el betum ja s’ha posat, però s’han de fer els assaigs.

Temperatura de Sortida. S’intenten evitar betums de mala qualitat, com per exemple betums cremats (que fan un

vapor de color violeta), ja que aquests perden la seva cohesió molt ràpidament.


191


192

Tractaments Superficials en els Betums

L’objectiu dels tractaments superficials és simplement aportar característiques concretes a la capa de

rodadura.

Un tractament superficial no augmenta la capacitat portant del la superfície.

Afecten a un gruix màxim de 3 cm.

Tipus de Tractaments Superficials:

Tractaments Superficials amb Rec:

Sense Graveta:

En Negre: Reg de lligant sobre rodadures envellides, faltes de graveta i permeables ( 0,2 a 0,4 Kg/

m2 de betum res.)

Antipols: Sobre camins no pavimentats. Evita pols, protegeix de l’erosió i humitat (EAM i EAL).

Imprimació:

Penetració d’un lligant per preparar una superfície no tractada ( EA i EC).

Adherència: Sobre una capa bituminosa abans d’estendre l’altre (0,5 Kg/m2 o menys) (EA i EC).

Curat:

Sobre capes amb ciment. Impermeabilitzen.

EAM, EAL, EA, EC: Emulsionants.


193

Amb Graveta:

Monocapa: Neteja + Reg + Graveta + Compactació.

Bicapa: Neteja + Reg + Graveta + Reg + Graveta + Compactació.

Monocapa amb doble Graveta: Neteja + Reg + Graveta + Compactació + Graveta + Compactació.

Slurry Seal: (Lletada Asfàltica)

La “Slurry Seal” són productes patentats de morter en fred que allarguen la vida de l’asfalt..

Consisteix en una emulsió asfàltica, granulometria d’àrids , fins, additius, aigua

La textura s’acosta a la del paper de vidre: És un producte adequat per ciutat ja que

disminueix el soroll però no és aconsellable en carretera ja que es pot fer aquaplanning amb molta facilitat.

S’apliquen una o varies capes d’un morter en fred amb

grandàries màximes de 6mm. Els components es mescles i s’estenen amb un equip situat sobre un camió:


194

Ceràmica

Material Ceràmic:

Les ceràmiques assoleixen les propietats que les fan desitjables com a materials per a la construcció després d’un tractament tèrmic anomenat cocció de les matèries primeres.

Les matèries primeres principals de les ceràmiques són la Sílice i l’ Oxigen. (Argiles)

Tipus tradicional de ceràmiques:

Argiles: Argiles estructurals: (totxos, totxanes i el grup de les porcellanes [rajoles, …] ) Totxo: maó gruixut i poc polit

Vidres. En les darreres dècades, els avenços que s’han produït en el coneixement d’aquests

materials ha permès l’aparició de nous materials de base ceràmica, les ceràmiques avançades, que tenen diverses aplicacions en una gran varietat de camps, com el de l’electrònica, la informàtica o el de la indústria aeroespacial.

Material de composició inorgànica i no metàl·lic.

La majoria de les ceràmiques presenten un enllaç iònic. Enllaç iònic: atracció elèctrics entre un element té tendència a perdre electrons i un altre a

guanyar-ne. Val a dir que les ceràmiques també poden tenir un cert caràcter covalent.

Com més semblants siguin els dos àtoms de l’enllaç, en termes d’apetència elèctrica, és a dir, electronegativitat, més semblants seran a un enllaç covalent.

Característiques dels àtoms que formen els materials ceràmics i que determinen la seva estructura:

El valor i el signe de la càrrega dels ions que componen el material.

Com a sòlids principalment iònics, les ceràmiques estan composades per dos tipus d’ions: els cations, de càrrega elèctrica positiva, i els anions, amb càrrega elèctrica negativa. El material ha de ser elèctricament neutre, és a dir, el nombre de càrregues positives ha

de ser igual al de càrregues negatives.

Les ceràmiques presenten electroneutralitat, és a dir, que la suma de càrregues elèctriques dels cations (+) i dels anions (-) és zero. Hi ha tantes carregues ‘+’ com ‘-’.

La mida relativa d’anions i cations.

Els cations, que s’han desprès d’electrons, són sempre més petits que els anions, que han adquirit electrons. Les estructures estables són aquelles en les quals tots els anions que envolten un catió

es troben en contacte directe amb ell.

El catió entra en contacte directe amb el màxim nombre d’anions al seu voltant. Nombres de coordinació [nombre d’anions que envolten un catió] més freqüents: 4 (Pla o

Tetraedre), 6 (Octaedre), 8 (Cub). El nombre de coordinació depèn de la relació entre els radis atòmics de cada catió i anió.

Aquest relació determina l’estructura cristal·lina de la ceràmica. Sempre es compleix: Rc/Ra < 1.


195

Ceràmiques formades per Silicats:

Els Silicats són materials composats principalment per oxigen (O) i silici (Si), els dos elements més abundants a l’escorça terrestre.

La unitat bàsica en els silicats és el grup SiO44-, on un àtom de silici es troba unit a quatre

àtoms d’oxigen situats als vèrtexs d’un tetraedre. En aquesta estructura, l’enllaç entre el silici i l’oxigen és significativament covalent, ja

que el ‘Si’ i el ‘O’ estan relativament a prop en la taula periòdica, per tant, tenen electronegativitats similars

Les diverses estructures que poden tenir els silicats s’originen a partir de les diferents maneres en que aquests tetraedres es poden combinar en distribucions d’una, dues o tres dimensions. Els silicis i els oxígens es solen combinar de forma tetraèdrica.

Sílice: El silicat més senzill és el diòxid de silici o sílice, SiO2.

Xarxa tetraèdrica on cada silici té al voltant 4 oxígens (unitat) i comparteix cada oxigen amb altres tetraedres veïns. Quan els tetraedres es disposen de manera regular i ordenada, es

forma una estructura cristal·lina. Cada silici només “utilitza” ½ dels oxígens que té al seu

voltant. Existeixen tres formes cristal·lines primàries de la sílice: el

quars, la cristobalita i la tridimita. Es tracta d’estructures relativament poc empaquetades, per la

qual cosa la seva densitat és baixa. (2,65 g/cm3 pel quars). D’altra banda, la força de l’enllaç Si-O dóna lloc a punts de fusió

elevats (al voltant de 1700 ºC).

Vidre de sílice: El vidre de sílice s’obté quan els tetraedres que formen el diòxid de silici es disposen de forma

no ordenada. És una xarxa de sílice no cristal·lina, amorfa. Ja que aquesta distribució a l’atzar és característica de l’estat líquid, aquest material

s’anomena també sílice fosa. Els vidres inorgànics més comuns, utilitzats en finestres, diversos tipus de recipients i

altres aplicacions, són vidres de sílice als quals se’ls ha afegit altres òxids, com CaO o Na2O. El fet de tenir una estructura amorfa suposa la transparència òptica. Altres òxids, com B2O3 o GeO2, també poden formar estructures vítries.


196

Silicats:

En els silicats, un, dos o tres dels àtoms d’oxigen del tetraedre es comparteixen amb tetraedres veïns per a formar estructures més complexes (Si2O7

6-, Si3O96-).

Cations carregats positivament, com Ca2+, Mg2+ o Al3+, compensen les càrregues negatives dels grups SiO4

4-.

Tipus de Silicats: Silicats senzills: Són els que tenen tetraedres aïllats amb cations que compensen les

càrregues negatives. Per exemple, la forsterita (Mg2SiO4) o l’akermanita (Ca2MgSi2O7).

Silicats laminars: Es pot formar una estructura bidimensional en forma de capes o làmines que es

produeix quan cada tetraedre comparteix tres àtoms d’oxigen. La unitat que es repeteix és Si2O5

2-. La càrrega negativa neta es troba associada a l’oxigen no enllaçat, que es troba en el

pla perpendicular a la pàgina. L’electroneutralitat s’aconsegueix a partir d’una segona capa que té una càrrega

positiva en excés. Els materials resultants són els anomenats silicats laminars i la seva estructura és

característica de les argiles les quals són molt modelables a causa de la facilitat de lliscament entre capes. A la caolinita, una de les argiles més comunes [Al2 (Si2O5) (OH)4], la capa tetraèdrica

de sílice queda neutralitzada per una capa de Al2(OH)42+.

Altres minerals amb estructura de silicat laminars són el talc [Mg3 (SiO5)2 (OH)2] o les miques, com la moscovita [K Al3 (Si3O10) (OH)2].

Estructura laminar de l’argila caolinita

En Vermell: oxígens en la base del tetraedre. En Blau: oxígens en un pla superior.

Per cada ‘Si’ tenim 2 5 ‘O’

Estructura laminar de l’argila caolinita

E V ll í l b d l t t d


197

Imperfeccions en les xarxes cristal·lines de les ceràmiques:

Defectes atòmics puntuals:

De la mateixa manera que en els metalls, poden existir tant vacants iòniques com ions intersticials. Ara bé, com els materials ceràmics contenen dos tipus d’ions, poden existir defectes amb cadascun d’ells, tret d’anions intersticials, poc probables a causa de la seva mida.

Cations Intersticials.

Cations que es col·loquen entre els buits de l’estructura bàsica de la ceràmica. No es freqüent tenir anions intersticials ja que els anions són molt més grans que els

cations, en termes de radi atòmic. Vacants.

Poden ser tant aniòniques com catiòniques.

L’estructura global ha d’assolir el total d’electroneutralitat.

El total de defectes es compensen en total, els defectes no poden existir de forma aïllada a les ceràmiques.

Si hi ha una vacant catiònica es compensa amb un altre catió intersticial o amb una

vacant aniònica. Defecte de Frenkel: Vacant catiònica compensada amb un catió intersticial. Defecte Schottky: Vacant catiònica compensada per una vacant aniònica.

Només en estructures del tipus AX (càrrega del catió = càrrega anió).

Aquests dos tipus de defectes mantenen l’estequiometria del material, és a dir, el quocient entre anions i cations

La manca d’estequiometria es pot donar en alguns materials ceràmics en els quals un dels ions té la possibilitat

de tenir dos estats d’oxidació. Així, a l’òxid de ferro (FeO, wustita) el catió pot existir tant com a Fe2+ o com a Fe3+. La quantitat de Fe3+ depèn de la temperatura i la pressió parcial d’oxigen La formació d’un ió Fe3+ desequilibra l’electroneutralitat del material, que es compensa amb una vacant de Fe2+ per cada dos ions Fe3+. Aquest fet provoca la desviació de l’estequiometria del material, que s’expressa a la fórmula com Fe1-xO.

Impureses:

Partícules Substitucionals .

Un àtom del sistema base es substitueix per un àtom solvent. Els àtoms d’impureses han de tenir radi iònic i un comportament elèctric similar al de

l’àtom al qual substitueixen. Ex: un àtom en un òxid de calci es substitueix per òxid de magnesi.

Partícules Intersticials.

Presència d’un àtom de més en un interstici o espai entre àtoms.

Limitacions d’impureses:

El requeriment d’electroneutralitat fa que les impureses vagin sovint associades a defectes destinats a compensar el balanç de càrrega del material.

Limitacions d’espai:

Substitucional: Mida similar al àtom a substituir. Intersticial: Partícules de mida més petita que d’interstici.

Limitacions de càrrega electrònica:

Substitucional: Càrrega igual a l’àtom a substituir o impuresa + defecte. Intersticial: Impuresa + defecte


198

Classificació dels material ceràmics:

Vidres:

Silicats no cristal·lins, amorfs, que contenen altres òxic a part del silícic. [principalment CaO, Na2O, K2O o Al2O3].

Tipus: Vidres. Vitroceràmiques.

Silicats laminars:

Argiles. Tipus:.

Productes estructurals de l’argila. Porcellanes.

Materials Refractaris:

Suporten altes temperatures sense fondre o descompondre’s (son aïllants tèrmics) i són inerts a agressions externes.

Tipus: Argila refractària. Productes refractaris de sílice o refractaris àcids. Refractaris bàsics. Refractaris especials.

Abrasius:

Substancies utilitzades per desgastar i/o tallar materials més tous.

Ceràmiques avançades.

Material industrials creats expressament, desenvolupats amb propietats elèctriques, magnètiques o òptiques específiques.

S’utilitzen en motors de combustió interna, plaques per a blindatges o per a la conversió, emmagatzematge i generació d’energia, electrònica, aeronàutica, …


199

Vidres

Classificació i composició:

Els vidres són silicats no cristal·lins que contenen altres òxids Els òxids són principalment: CaO, Na2O, K2O o Al2O3. La proporció i naturalesa d’aquests òxids determinen les propietats del material, donant lloc

als diferents tipus de vidres existents.

A la taula següent es resumeixen la composició i característiques d’alguns dels vidres més corrents.

Vidre Composició Característiques Sílice fosa 99,5% SiO2 Alta temperatura de fusió (1700ºC aprox.)

Baix coeficient de dilatació Resistent al xoc tèrmic

Borosilicat (Pyrex) 81% SiO2 !3% B2O3 3,5% Na2O 2,5% Al2O3

Resistent al xoc tèrmic i a l’atac químic Es fa servir per a material de laboratori

Vidre d’ampolla (de sosa-cal)

74% SiO2 16% Na2O 5% CaO 1% Al2O3 4% MgO

Baix punt de fusió (1350ºC aprox.) Fàcil conformació Durable

Fibra de vidre 55% SiO2 16% CaO 15% Al2O3 10% B2O3 4% MgO

Fàcilment estirat en forma de fibres

Vitroceràmica 70% SiO2 18% Al2O3 4,5% TiO2 2,5% Li2O

Resistent al xoc tèrmic Material per a forns

Propietats:

Els materials vitris (no cristal·lins) no solidifiquen de la mateixa manera que els materials cristal·lins.

En refredar, el vidre augmenta la seva viscositat d’una manera contínua; no existeix una temperatura definida en la qual el líquid es transforma en sòlid, tal com passa amb els materials cristal·lins.

Comparació del comportament del volum específic respecte la temperatura per a sòlids cristal·lins i sòlids no cristal·lins.

En els cas dels materials cristal·lins existeix una temperatura, anomenada temperatura de fusió (Tm a la figura) a la qual es produeix un canvi discontinu en el volum específic del material. Per damunt d’aquesta temperatura tenim un líquid; per temperatures inferiors tenim un

sòlid cristal·lí. En els materials vitris el volum disminueix de manera contínua amb la temperatura. La

temperatura a la qual es produeix un lleuger canvi en el pendent s’anomena temperatura de transició vítria (Tg a la figura) Per sota d’aquesta temperatura es considera que el material és un vidre.


200

El diagrama viscositat – temperatura és important per a la determinació de punts rellevants en les operacions de fabricació i conformat del vidre.

Diagrama logarítmic viscositat – temperatura per a diferents tipus de vidres.

Així, es defineixen els següents punts sobre el diagrama viscositat – temperatura:

Punt de fusió. Correspon a la temperatura a la qual la viscositat és 100 P. El vidre és prou

fluid com per a ser considerat un líquid. Punt de treball. És la temperatura a la qual la viscositat és 104 P. A aquesta viscositat, el

vidre es pot deformar fàcilment, per la qual cosa és fàcilment treballable. Punt de reblaniment. És la temperatura a la qual la viscositat és 4·107 P. Aquesta és la

temperatura màxima a la qual el vidre es pot treballar sense produir deformacions dimensionals significatives.

Punt de recuit. És la temperatura a la qual la viscositat és 1013 P. A aquesta temperatura, la difusió atòmica és prou ràpida com per què qualsevol tensió residual es pugui eliminar amb rapidesa.

Punt de deformació. Correspon a la temperatura a la qual la viscositat és 1014 P. Per a temperatures per sota del punt de deformació, la fractura té lloc abans de la deformació plàstica.

La temperatura de transició vítria es troba per sobre del punt de deformació, mentre que la

majoria de les operacions de conformat es duen a terme a l’interval de treball definit entre el punt de treball i el punt de reblaniment. Aquest interval és un interval fix per a tots els vidres respecte a la viscositat, però cal tenir

en compte que l’interval de temperatures de treball és diferent per a cada tipus de vidre, com es pot observar a la figura.

Fabricació i tècniques de conformat:

El vidre es produeix escalfant les matèries primeres a temperatures elevades, per sobre del seu punt de fusió.

Especialment quan es requereix una elevada transparència òptica, cal que el vidre sigui homogeni i sense porus.

La homogeneïtat s’aconsegueix a través de la completa fusió i perfecta mescla de les matèries primeres, per la qual cosa es molturen finament abans de la mescla.

La porositat es pot controlar ajustant amb precisió la viscositat de la mescla.

Tècniques de fabricació de vidre:

Premsat: S’utilitza en la fabricació de peces amb parets

relativament gruixudes, per exemple plaques o plats.

Procés: La peça de vidre es forma per aplicació de

pressió en un motlle de fosa recobert de grafit i que té la forma desitjada.


201

Bufat: El bufat del vidre es fa a mà especialment amb

peces d’art o d’artesania, però el procés està totalment automatitzat per a la fabricació de gerres, ampolles o bombetes.

Procés: A partir d’una massa de vidre es forma una

“preforma” temporal per premsat mecànic en un motlle.

Aquesta peça es col·loca en un motlle final de bufat, on és forçada a adquirir la forma del contorn del motlle per la pressió d’aire injectat.

Estirat:

S’utilitza per a conformar peces llargues, com ara làmines tubs, barres o fibres de secció constant.

Vidres tractats tèrmicament:

Vidre recuit.

Quan un material ceràmic es refreda des d’una temperatura elevada, s’originen tensions internes (tensions tèrmiques), resultat de la diferència en la velocitat del refredament i la contracció tèrmica entre les regions superficials i les interiors. (Vidres fràgils)

Aquestes tensions poden conduir a la fractura per xoc tèrmic. Això s’intenta evitar amb una temperatura de refredament baixa.

Tot i això, un cop s’han introduït aquestes tensions es poden eliminar o reduir amb un tractament tèrmic de recuit: el vidre s’escalfa fins al punt de recuit i llavors es refreda lentament fins a temperatura ambient.

Vidre trempat:

Aquesta tècnica consisteix a augmentar la resistència d’una peça de vidre introduint-hi de

manera intencionada tensions residuals superficials de compressió. La peça de vidre s’escalfa fins a una temperatura superior a la de transició vítria, però

menor a la del punt de reblaniment. A continuació es refreda fins a temperatura ambient amb un raig d’aire.

Inicialment, la superfície es refreda més ràpidament i adquireix rigidesa. L’interior, en refredar-se més lentament, intenta contraure’s més del que li permet la superfície rígida exterior. Així, l’interior tendeix a estirar de l’exterior cap endins. Com a conseqüència, després

de refredar-se a temperatura ambient, la peça suporta esforços de compressió a la superfície i esforços de tracció a l’interior.

La fractura en els materials ceràmics s’origina gairebé sempre a partir d’una esquerda

a la superfície amb una càrrega a tracció. Per a trencar una peça de vidre trempat, la tensió ha de ser prou gran per a superar els esforços residuals a compressió i, a més, tensionar prou la superfície per tal que l’esquerda es formi.

El vidre trempat s’utilitza en aplicacions que requereixen una resistència alta, com

per exemple, portes grans, parabrises de cotxes i lents.


202

Ceràmiques vítries:

La majoria dels vidres inorgànics es poden transformar des d’un estat no cristal·lí a un estat cristal·lí pel propi tractament a temperatura elevada.

Aquest procés s’anomena desvitrificació, i normalment s’intenta evitar ja que el vidre desvitrificat no és transparent.

Tot i això, en alguns vidres aquesta transformació es pot controlar de manera que es produeixi un

material de gra molt petit lliure de tensions residuals.

Aquest material s’anomena vitroceràmica.

Per a dur a terme de manera controlada la cristal·lització, o desvitrificació, s’afegeix un agent nucleant (normalment, diòxid de titani) que indueix el procés.

Les propietats més importants de les vitroceràmiques són:

Un coeficient de dilatació tèrmic petit, que li dóna resistència al xoc tèrmic. Resistències mecàniques i conductivitats tèrmiques elevades. A més, tenen l’avantatge que es poden fabricar amb certa facilitat amb les tècniques

tradicionals de conformació del vidre.

Les principals aplicacions d’aquests materials són articles de cuina per a utilitzar en forns, com aïllants i com a substrats per a plaques de circuits integrats.


203

Ceràmiques Estructurals

Ceràmiques Estructurals:

La ceràmica parteix de l’argila. Minerals d’argila. Al2O3 + SiO2 + H2O lligada. (òxids i matèria organica).

Hidropasticitat (principal propietat de les argiles).

A l’argila mesclada amb aigua se li pot donar forma. Existeix un interval d’Hidropalsticitat. Com menys aigua més pèrdua de plasticitat. Un excés d’hidroplasticitat provoca que les peces s’enganxin als motlles

Per evitar-ho s’afegeixen reguladors de la hidroplastilitat coneguts com desgreixadors: [xamota (residus de peces de ceràmiques trencades), sorra silícia o cendres volants].

Mecànicament les argiles tenen un comportament fràgil i tenen un punt de fusió en un

interval de temperatura ampli. Es pot aconseguir una rebaixa de la temperatura amb fundents com els feldspats.

Per exemple la Porcellana consta de: 50% argila + 25% quars + 25% feldspats.

Cadena de fabricació.

La fabrica d’extracció se situa al dipòsit de les argiles i es treballen les peces. L’argila és un material de baix cost, fet que suposa que les distàncies de transport no

poden ser elevades ja que s’encariria el producte.

Cadena:. 1. Extracció → Molturació → Tamisat.

2. Mescla de components amb aigua + additius per adaptar la tècnica de conformat.

Conformació Hidroplàstica: aprofitar la deformabilitat de la pasta argila – aigüa. Extrusió de la pasta: es fa passar la massa plàstica ceràmica a través de la matriu

(motllo). És la tècnica més freqüent. Emmotllat en barbotina: és una suspensió d’argila..

Suspensió d’argila + materials no plàstics en aigua. → Motllo de guix porós que absorbeix l’aigua en excés.

3. Transport → Assecament → Cocció.

L’assecament es basa en una contracció lenta i es realitza amb el calor residual dels forns. El producte queda de color verd i s’ha de vigilar amb les possibles esquerdes

presents. L’assecament és crític pel procés posterior de cocció (control de la velocitat

d’assecament). La cocció es realitza entre 900ºC~1400ºC.

Durant la cocció augmenta la densitat i minva la porositat fet que suposa una millora de la resistència mecànica.

En els maons amb 900ºC ja és suficient.

Variacions amb la temperatura:

Tº↑ es forma vidre líquid que omple parcialment els porus (depèn de la composició, la

temperatura i el temps). Quan s’afegeix feldspat (fundent) baixa la temperatura de formació de líquid.

Tº↓ la fase fosa forma una matriu vitrea forta i densa. Contracció.


204

Vitrificació:

La vitrificació ve determinada per la porositat, però al mateix temps determina:. Durabilitat Resistència. Densitat

A més vidre i grau de vitrificació millors propietats de la ceràmica. Els maons cuits a 900ºC són bastant porosos. La Porcellana cuita a TºC molt més alta té menys porus i és quasi transparent.

La vitrificació completa provocaria col·lapse durant la cocció.

Propietats mecàniques dels materials ceràmics:

Fractura Fràgil. (fractura catastròfica) Resistència mitja inferior a la previsible. Bon aïllant tèrmic.

Té una porositat tancada fer que evita els flux de calor (és dens). Com més porus, més aïllant, però com més porus menys resistència mecànica s’ha

d’arribar a un compromís entre les dues demandes. Material refractari.

Suporta tensions a alta temperatura. Mal aïllant acústic.

El buits dels porus son molt laberíntics i son tancats. Absorció Acústica: Relació entre energia sonora incident i la absorbida. Aïllament Acústic: És la reducció sonora, expressada en dB, per interposició d’una

barrera entre dos medis, essent un la font i l’altre el receptor.

En ceràmica estructural: la peça aïllant ha de ser lleugera (porositat tancada abundant) i la peça acumuladora de calor ha de ser densa.

Classificació funcional dels material ceràmics estructurals:

Maó forat.

Tancaments interiors. Maó forat i/o massís.

Paret de càrrega / paret mestra. Llambordes i/o toves.

Paviment. Revolto, Teules.

Cobertes i teulades.

Defectes en els maons:

La majoria dels defectes no arriba als usuaris ja que les peces defectuoses han estat eliminats anteriorment pel control de qualitat dels maons.

Defectes més freqüents:

Inflaments: Es deuen a la presencia de matèria orgànica i/o pirita, que generen gasos en la cocció.

Fissures: Comencen en el cantell de la peça son degudes al xoc tèrmic d’assecament.

Microfissures: Solen venir d’una mala distribució granulomètrica quan hi ha àrids.

Eflorescències: Taques blanques en el maó. Generades per la lixiviació de la calç del morter (similars a regalims d’aigua) o simples

taques en la superfície del maó.


205

Condicions de recepció de maons:

Absorció d’aigua. Massa d’aigua absorbida respecte al pes del maó sec. Determina la porositat.

Densitat aparent.

Sobre maó sec: Relació del volum extern, inclòs els forats respecte a la massa.

Resistència a la compressió. Dependent de la classe. La tensió s’ha de aplicar de 5 a 6 Kg/cm2 per segon.

Resistència a la gelada.

Per maons de façanes. Han de suportar un mínim de 100 cicles de gel – desgel.

Inclusió de cossos estranys i eflorescències.

Aspecte visual net a 1m de distancia. Eflorescències: SO4Mg < 0.12 % del pes. Eflorescències: SO4Na2 + SO4K2 < 0.08% en pes

De tots els paràmetres que cal verificar per a la recepció de la ceràmica estructural, el

més representatiu es la capacitat de absorció d’aigua. En la norma espanyola UNE 67.027-84, es fixa el límit en un 22% per tot tipus de maó.

Defectes en la col·locació dels maons:

Concentració de tensions i les microfissures en l’arrebossat. Originades per les diverses dimensions dels maons.

Això suposa una deposició de un gran espessor de morter que origina retraccions diferents.

Oscil·lació de la peça sobre la capa de morter. Origina una disminució de la superfície de contacte.

Suposa un augment de la tensió, que pot provocar les fissures.

Anisotropia en la retracció del morter, o simplement una incorrecta col·locació.

Origina una tensió innecessària en el maó. Pot arribar a provocar el trencament del maó.


206

Problema de les Juntes:

Les juntes de col·locació tenen com principal missió unir la peça individual al conjunt. En el cas dels murs aquesta funció te un caràcter estructural.

Així en el cas dels murs de maó les juntes suporten el mateix esforç que el propi maó.

Toleràncies dimensionals:

Mesures en els maons:

Toleràncies:

Tolerància sobre el valor nominal:

Diferencia entre la dimensió mitja del lot amb respecte al valor nominal.

Tolerància de la dispersió:

El valor absolut màxim de la diferencia entre el valor mitja d’una dimensió del lot i un valor aïllat del mateix.

Resistències de les parets:


207

Polímers


208

Polímers:

Un polímer és una substància constituïda d’un element base (unitat bàsica o mer) repetida moltes

vegades.

Etimologia: Poli: moltes; Mer, Unitat bàsica.

Estan formats per molècules orgàniques.

Constitueixen cadenes moleculars llargues i flexibles:

Els polímers són una barreja de cadenes de diferents longitud.

Existeixen en estat natural i es poden crear sintèticament.

Alguns exemples de polímers naturals són: Cautxú, Cel·lulosa, Cotó, Llana, Seda, Proteïnes, Enzims, etc.….

Els polímers sintètic es ban desenvolupar després de la segona guerra mundial.

El seu cost de producció és baix, es a dir, són barats.

Un polímer no és un plàstic. Un plàstic s’usa com a terminologia industrial a l’hora de designar un polímer capaç d’estovar-se i donar-li forma amb un augment de temperatura.

Formació dels Polímers: Polimerització:


209

Addició o Polimerització en Cadena:

Iniciació:

Un catalitzador o provocador, conegut com radical lliure (substància carregada

electrònicament amb un electró lliure, desaparellat [no és estable electrònicament] ) provoca un trencament d’enllaç doble en un unitat bàsica o mer i s’enganxa, creant un nou radical més gran.

Es forma un centre actiu.

Propagació:

La reacció es va desenvolupant de la mateixa manera, però considerant ara un nou radical més gran.

La reacció de propagació és força ràpida.

Terminació.

La reacció acaba per atzar quan la cadena polimèrica en desenvolupament es troba amb un altre radical que tanca el cicle de reaccions, el resultat és una cadena no reactiva. També, una cadena de propagació es pot unir amb un catalitzador.

Les cadenes resultants de la polimerització son de diferent longitud i poden variar molt: des de 20 fins a 40.000 unitats bàsiques. Tot i això les reaccions es poden conduir per aconseguir un nombre de cadenes acotades

entre valors concrets.

Exemples de polímers formats a partir d’addició: Polietilè, PVC, Poliestirè…

Condensació:


210

La condensació suposa la presència de dues espècies monomèriques diferents.

Iniciació:

En una condensació es produeix un a esterificació, és a dir, la formació d’un èter. Les dues espècies polimèriques reaccionen formant una molècula d’aigua i ajuntant les

seves cadenes.

La unió es desenvolupa a traves d’un enllaç d’oxigen. Propagació:

Les molècules que actuen en la propagació solen ser diàcides o dialcohòliques. La propagació es desenvolupa de la mateixa manera considerant ara els extrems de la

molècula resultant de la primera reacció. Durant el procés és possible que es vagin formant xarxes. La condensació es una reacció més lenta que la de d’addició

Terminació:

Al reacció acaba quan la molècula reacciona pels dos costats amb radicals àcids o

alcohòlics que no son dobles.

Exemples de polímers formats a partir de condensació: Nylon, Polièsters, Policarbonats …

Unitats Polimèriques:


211

Polietilè:

Unitat formada a partir de l’etil.

Clorur de Polivinil (PVC): Te un àtom de H substituït per un de Cl . És problemàtic ambientalment a causa del despreniment

de HCl gas en la seva descomposició.

Politetra Fluoroetilè (Teflon): Molt resistent a agressions químiques..

Polipropilè:

Poliestirè: Te un grup fenol (Benzè).

Polimetil Metacrilat: Prové d’una esterificació.

Formaldehid (Bakelita):

Polihexa Metileno (Nylon): Adipamida:

Policarbonat:

Homopolímer: Si totes les unitats mer són iguals

Copolímer: Si hi ha 2 o més unitats mer diferents. Els copolímers es poden combinar de moltes maneres.

Additius:


212

Filler:

Carrega mineral que s’afegeix al polímer per:

Augmentar la rigidesa (estabilitat dimensional ) del sistema i la seva resistència. Rebaixar preu del polímer pur.

Tipus de Filler:

Serradures, Sorra, Pols de sílice, Calcària, Vidre, …

Plastificants:

Molècules líquides poc llargues que s’intercalen en el polímer per lubrificar-lo i assolir noves propietats:

Augmenta la flexibilitat i la ductilitat.

Estabilitzadors:

Additius que eviten l’oxidació, l’envelliment causat per la llum i l’aire. Els fotons de la llum actuen sobre els dobles enllaços augmentant la mobilitat de l’enllaç

i conseqüentment debilitant-lo. El resultat és un canvi de Color i de un augment de la Fragilitat:

La calor ocasionada per la llum també es un agreujant de la situació.

Retardants de Flama:

Additiu molt important en la prevenció d’accidents.

S’utilitzen en zones amb molta presencia de plàstic.

Constitueixen d’una substancia que canvia d’estructura amb la calor. Ex: MgO → MgOH → Continua la combustió ...

Colorants.

Estructura Molecular dels Polímers:


213

Homopolímers:

Polímers Lineals:

Són molt flexibles [com els espaguetis]. Exemples de polímers lineals:

Polietilè, Poliestirè, Polimetilmetaacrilat, Nylon, Teflon, …

Polímers Ramificats: Les cadenes impedeixen l’empaquetament, rebaixen la densitat.

Polímers lineals que es desdoblen en algun punt.

Polímers Encreuats: Polímers ramificats que compareixen alguna branca donant cohesió

al conjunt.

Cautxú vulcanitzat: Es mescla en cautxú amb sofre, el qual uneix les cadenes de polímers entre si donant

més resistència al conjunt mantenint l’elasticitat. [Vulcanització: veure més endavant].

Polímers en Xarxa: Polímers que formes un xarxa 3D en l’espai sense ordre concret.

Exemples de polímers en xarxa: Resines Epoxy.

Polímers que tenen la propietat d’enganxar superfícies. Donen resistències elevades i no son gaire deformables. La seva resistència atracció és més elevada que la del

formigó. Substancies que enganxen

Fenol – Formaldehid.

Els polímers poden presentar varies estructures al mateix temps. Per exemple: un predominantment lineal pot ser algunes vegades ramificat o entrecreuat.

Copolímers:

Pes Molecular:


214

El Pes molecular dels polímers es defineix com el pes molecular promig de les seves cadenes.

Recordem que un polímer està format per cadenes polimèriques de diferent longitud. _

M = ∑ xi · Mi: Mitja de pesos molecular de grandària i per fracció del nombre total de cadenes de la

mateixa grandària.

Grau de Polimerització: Correspon al nombre mig d’unitats mer en les cadenes:

_ _ nn = Mn / m: _

Considerant m: com al pes molecular d’unitat monomèrica.

Exemples d’una possible distribució del la quantitat de cadenes d’un determinat pes molecular:

Exemple de la determinació d’un pes molecular d’un polímer (PVC)

Grau de polimerització: _ m = pes molecular unitari del PVC = 2 x C + 3H + 1Cl = 2 x 12.01 + 3 x 1.01 + 35.5 = 62.5 g/mol _ _ nn = Mn / m = 21150 / 62.5 = 338

Cristal·linitat dels polímers:

Forquilla de pes molecular Mitja Mi (respecte 1) xi xi Mi 5000 – 10000 7500 0.05 375 10000 – 15000 12500 0.16 2000 15000 – 20000 17500 0.22 3800 20000 – 25000 22500 0.27 6075 25000 – 30000 27500 0.20 5500 30000 – 35000 32500 0.08 2600 35000 – 40000 37500 0.02 750 _

Mn = 21150


215

La Cristal·linitat dels polímers és la facilitat que tenen aquest de donar cristalls.

Les substàncies amb molècules petites són o amorfes o cristal·lines en la seva totalitat però poden ser mescla de cristal·linitat

Polímers Semicristal·lins: Es poden tractar com a aliatges de metalls amb 2 fases.

És l’empaquetament de cadenes moleculars en un ordre geomètric.

Com més senzilla sigui una unitat mer més facilitat de cristal·litzar té el polímer. Polímers lineals: cristal·lització fàcil. Polímers entrecreuats: semicristal·lins. Polímers en xarxa: amorfs.

Grau de Cristal·linitat: Es determina per la densitat dels polímers:

La densitat del polímer cristal·lí > la densitat del polímer amorf. ρs = densitat del polímer problema. ρa = densitat part amorfa. ρc = densitat part cristal·lina

Grau de cristal.linitat % = [ρc(ρs – ρa) / ρs(ρc – ρa)] x 100.

El grau de cristal·linitat depèn de la velocitat de refredament del polímer.

La cristal·linitat determina les propietats del polímer.

Estructura dels cristalls de polímers: Els cristalls de polímers estan formats per plaques o làmines

d’uns 20mn. de gruix i 10 µ de long. Solen formar estructures multicapa.

Es poden plegar i formar làmines: → Cadena Plegada

Poden organitzar-se en esferolites: La fase amorfa està intercalada i la unió entre làmines està feta per molècules d’enllaç que

creuen el paquet amorf. Aquest paquets s’organitzen en simetria esfèrica al voltant d’un centre creant petites esferes o grans.

Els extrems d’esferolites xoquen entre si i formen unions planes fetes també per cadenes que participen en 2 esferolites. Son com els grams dels metalls policristal·lins.

Exemples d’Estructura Esferolítica: Polietilè, Polipropilè, PVC, Teflon, Nylon …

Propietats mecàniques dels Polímers:


216

El polímers són resistents a:

Tracció. Impacte. Fatiga.

Relació tensió – deformació:

Comportaments típics: Fràgil: sense deformació plàstica i poca deformació elàstica. (A) Elasto – Plàstica: com un metall. (B)

Primer es produeix una deformació elàstica i després una deformació plàstica. Existeix un mòdul de deformació.

Elastomèrica: gran deformació elàstica per poca càrrega (tensions petites). (C)

Exemples del comportament de diferents polímers:

Variació de la deformabilitat amb la temperatura:

Al augmentar la temperatura d’un polímer la

deformabilitat d’aquest augmenta.

Exemple: Cas del Plexiglàs (polimetil metataacrilat): El plexiglàs és rígid a 4ºC. ∆t suposa: Disminució del mòdul i

Disminució resistència a tracció. Deformació plàstica a 60ºC.

Mecanisme de Deformació de Polímers

Material Densitat Modultracció [MPa x 102]

Tracció [MPa ]

Deformació de trencament [%]

Polietilè (baixa δ)

0.917-0.932 1.7-2.8 8.3-31.7 100-650

Polietilè (alta δ)

0.952-0.965 10.6-10.9 22-31 10-1200

Pvc 1.3-1.6 24-41 41-52 40-80 Teflon 2.14-2.20 4-5.5 14-34 200-400 Nylon 1.13-1.15 16-38 76-94 15-300


217

Semicristal·lins:

S’explica per l’interacció entre les zones cristal·lines i les amorfes en front d’una càrrega a tracció.

Estadis en la Deformació. 1.- Aplicació de la càrrega (a) 2.- Lliscament de làmines i elongació de les cadenes d’unió entre làmines dins de la matèria

amorfa. (b) 3.- inclinació de les làmines, alineant-se amb l’eix de tracció. (c) 4.- blocs de matèria cristal·lina se separen de les làmines, però queden encara unides per les

cadenes d’unió. (d) 5.- els blocs i les cadenes d’unió s’orienten en la direcció de l’eix de tracció. (e)

Resultat: Es produeix una estructura molt orientada. Variacions en la forma de les esferoides:

Qualsevol impediment al desenvolupament d’aquest mecanisme representa un augment de la

resistència. Casos que poden fer augmentar la resistència:

L’entrecreuament de fibres. La cristal·linitat.

Aspecte macroscòpic de la deformació d’una proveta de polímer semicristal·lí:

En els polímers de baix pes molecular la resistència creix amb el pes molecular.

Comercialment per augmentar la resistència mecànica es predeforma el polímer. És un procediment molt típic per les fibres:

S’irradia per trencar unions i provocar nous enllaços que portin a entrecreuar cadenes.


218

Vulcanització:

Reacció química irreversible que consisteix en tractar el polímer amb sofre.

El sofre actua com a lligant entre cadenes (provoquen l’entrecreuat) augmentant la càrrega de trencament i disminuint la deformabilitat.

L’addició de sofre és aproximadament de 1% al 5%.

En procés es realitza amb un augment de temperatura.

Classificació dels polímers basada en la resposta mecànica a alta temperatura:

Polímers Termoplàstics: Corresponen als polímers lineals i poc ramificats. Característiques:

S’estoven o formen quan la temperatura augmenta i s’endureixen quan la temperatura disminueix.

Són reversibles.

Polímers Termoenduribles: Corresponen primordialment als polímers amorfs.

Exemples: Cautxú vulcanitzat Epoxy (araldit): polímers que se’ls hi afegeix un producte de manera que finalitzen la

seva polimerització desenvolupant una malla amorfa que assoleix un gran enduriment. El procés d’enduriment és m,és ràpid si s’augmenta la temperatura .

Resines poliester. Característiques:

S’endureixen permanentment al aplicar calor (augment de temperatura). Amb l’augment de temperatura es trenquen i es formen nous enllaços covalents,

entrecreuant cadenes polimèriques. No són reversibles.

Poden ser mal·leables abans d’arribar al punt de termoenduriment, és a dir, abans de polimeritzar de nou.

Viscoelasticitat dels polímers amorfs:

La viscoelasticitat dels polímers amorfs depèn primordialment del temps i temperatura.

Els polímers varien la seva viscositat amb la temperatura.: Elàstics: a temperatures baixes (vidres rígids). Viscosos: a temperatures altes (líquids). Viscoelàstics: a temperatures mitjanes (sòlids gomosos)

Tipus de polímers segons la seva viscoelasticitat:

Comportament elàstic:

Deformació elàstica instantània. La deformació és independent del temps:

Comportament viscosos: Deformació no instantània. La deformació depèn del temps

Comportament viscoelàstic: Deformació no instantània. La deformació depèn del temps


219

Mòdul de Relaxació = σ(t) / єo:

On: єo nivell de deformació que es manté constant. Es medeix la σ(t) necessària per mantenir єo

Fractura en els Polímers:

Els polímers termoenduribles tenen un comportament fràgil. Els polímers termoplàstics tenen un comportament dúctil.

Els termoplàstics, però, poden tenir transició i desenvolupar un comportament fràgil. Els termoplàstics vitris trenquen fràgil a temperatures baixes.

Al augmentar la temperatura es tornen dúctils prop del punt de transició vítrea.

La fractura varia en funció de la temperatura i la velocitat de deformació del polímer.

Plàstics:

Plàstic és un concepte que fa referència a l’aplicació dels polímers en la industria, no és un terme científic.

Els plàstics son materials sòlids dels quals el principal ingredient és un polímer d’alt pes

molecular, al que es dona forma en estat fluid en una etapa de la seva fabricació. Característiques:

Poden ser Rígids, Flexibles, tenir qualsevol Grau de Cristal·linitat, ser Termoplàstics o Termoenduribles, etc…

Alguns polímers poden respondre a la qualificació “plàstics” i també a altres.

Tipus de plàstics:

Termoplàstics:

Polimetil – metaacrilat (Plexiglas): Propietats:

Bona transmissió de la llum. Poc envelliment a la intempèrie. [resistència a l’oxidació] Propietats mecàniques sols correctes.

Aplicació: Lents. Finestres d’avions. Material de dibuix.

Polietilè:

Propietats: Resistència química, aïllant, etc… Baixa resistència mecànica. Poca resistència a la intempèrie.

Aplicació: Ampolles flexibles. Embolicar. Joguines.


220

Polivinil de clor (PVC): Propietats:

Excel·lents propietats elèctriques. Bona estabilitat dimensional. Baix cost. Problema ambiental en la seva degradació. Al descomposar-se

allibera HCl. Aplicació:

Conduccions, Finestres, Recobriments de Sòls. Aïllants elèctrics. Aplicacions generals.

Politetrafluoroetilè (Teflon):

Propietats: Químicament inert. Resisteix bé fins 260º.

Aplicació: Recobriments amb protecció química, Canonades. Ponts electròniques alta temperatura.

Termoenduribles:

Epoxy (araldit, etc.): Propietats:

Excel·lent propietats mecànica. Excel·lent propietats anticorrosió. Bona adhesió. Relativament econòmic. Bona estabilitat dimensional.

Aplicació: Recobriments. Reparació formigó. Adhesius.

Fenòlic (bakelita):

Propietats: Excel·lent estabilitat tèrmica fins 150º. Molt econòmic.

Aplicació: Carcasses motors. Telèfons.

Silicones:

Propietats: Es basen en la sílice (no en C) Químicament inerts. [resistents a l’oxidació]. Bones propietats elèctriques.

Aplicació: Aïllament. (Sobretot de juntes)


221

Elastòmers:

Són polímers que presenten elasticitat amb gran deformació. Dins d’aquesta classificació entren els cautxús naturals (isopropilè natural) i sintètics, el

sbr (pneumàtics, additiu al betum). Els elastòmers de silicona resisteixen 250º i segueixen sent flexibles.

Propietats segons la tensió:

Sense tensionar són amorfs, amb cadenes retorçades i unificades. Al aplicar tensió les cadenes s’estiren en direcció de la tensió. Al deixar d’actuar les cadenes tornen a la posició inicial.

Fibres:

Són polímers que poden estirar-se en filaments. l / d = 100 / 1.

La longitud d’aquest filaments pot variar molt, des de filaments molt llargs fins a filaments molt curts.

Tenen un alt pes molecular. Són cadenes no ramificades i simètriques.

Propietats:

Presenten gran resistència a tracció. Tenen un mòdul elàstic molt alt. Són químicament estables.

Les fibres són típiques dels teixits.

Escumes:

Tant els polímers termoplàstics com els termoenduribles es poden escumar amb agents

que al reaccionar deixen anar un gas. El gas es difon sense sortir dins d’una massa no fluida.:

Propietats: Aïllament tèrmic. Embalatges. Coixins.

Alguns exemple de polímers que poden ser escumes: Poliuretà, Poliestirè, PVC, Cautxú,…

Taula resum de noms i

simbologia dels plàstics:


222

Composites (Compòsits)

Composites:

Un material compost o compòsit és un assemblatge d’un mínim de dos materials no miscibles de manera que formen un nou material a nivell macroscòpic però que continuen separats.

El compòsit més primitiu fou segurament alguna barreja de palla i fang en forma de maons per a la construcció.

Els materials es complementen per donar propietats mecàniques extremadament bones.

Els compòsits es basen en el principi d’acció combinada.

El compòsit està format per un mínim de dues fases, on podem distingir una matriu i una fase dispersa o reforç.

Les fases disperses o reforços.

El reforç és l’esquelet que suporta els esforços mecànics. Pot presentar-se en diferents formes: fibres curtes (feltres) o fibres contínues (teixits o

textures multidireccionals). Les fibres solen posseir generalment una bona resistència a la tracció.

Les matrius.

Matèria plàstica (resina termoplàstica o termostable) Garanteix la cohesió de l’estructura i la transmissió d’esforços cap al reforç. Garanteix també la protecció del reforç de les condicions ambientals.

Classificacions dels compòsits:

Classificació dels compòsits en funció de la naturalesa de la matriu: Els compòsits de matriu orgànica, com els polímers (o plàstics) reforçats o els betums. Els compòsits de matriu ceràmica, com el formigó. Els compòsits de matriu metàl·lica.

Classificació dels compòsits en funció de la naturalesa de la fase dispersa o reforç:

Paquets de fibres de grafit en una matriu d’epoxi.

Fibres (direcció ‘visual’ o transversal)

Epoxi


223

Compòsits de Partícules Grans: Compòsits amb fases disperses de mida considerablement gran en relació amb la matriu.

Exemples: Polímers amb filler. El formigó: [Matriu: pasta de ciment. Partícules: sorra, grava]

La interacció entre matriu i fase dispersa es tracta amb mecànica del continu, no a nivell atòmic o molecular. En la majoria d’aquests compòsits la matriu és menys rígida que les partícules i tendeix

a restringir el moviment en la proximitat de les partícules, transmet una part de la tensió aplicada a les partícules.

El comportament mecànic depèn de la força d’unió, és a dir de la interfase.

Cermets: Compòsits basats en la relació ceràmica – metall.:

Exemples: Partícules de WC (carbur de wolframi) o TiC (Carbir de Titani) en una matriu

metàl·lica de Co o Ni. El resultat són eines per tallar acer molt dur. El tallant és el carbur, però són molt fràgils. la matriu dúctil del metall aïlla i

evita propagació de fissura. Negre de carbó + elastòmers:

Petites partícules de carbó especials afegides al cautxú vulcanitzat per augmentar la resistència tracció i resistència a l’abrasió en els pneumàtics per cotxes.

Compòsits amb Partícules Disperses Tensionades: Compòsits basats en la dispersió de partícules molt petites d’un metall inert i molt dur

dins d’un altre metall o aliatge. La fase dispesa pot ser no metàl·lica (òxids etc.). La interfase impedeix les dislocacions del cristall.

Exemple: El Níquel i els seus aliatges endurits amb partícules de ThO2 [òxid de tori]

(TD – Níquel).

Compòsits Reforçats amb Fibres: Compòsits on la fase dispersa és la fibra fet que suposa altres resistències i baixes

densitats. La transmissió de les tensions depèn de la longitud de fibra, ja que la unió s’acaba en

els extrems. Es classifiquen en funció de la longitud de fibra. Comportament del compòsit davant les tensions:

Longitud crítica: L = (σf · d) / τ

si (L) és gran el reforçament es fa més efectiu.

d = diametre

σf = R. Tracció Fibra

τ = r. tallant de la matriu


224

Alineació de les Fibres:

Classificació de les fibres segons el seu diàmetre:

Whiskers: Fibres molt primes basades en cristalls individuals molt llargs.

Assoleixen relacions L/Ø molt grans fet que suposa molt altes resistències. Són els materials més resistents que es coneixen.

Assoleixen entre 14 · 103 ~ 28 · 103 MPa a tracció. Són molt cares. Exemples:

Grafit, Carburo de silici, Nitruro de silici, Òxid d’alumini, …

Fibres:

Fibres primes i de diversos diàmetres. Són polimèriques: Són també molt resistents.

Assoleixen fins a 3,9 · 103 MPa a tracció. Exemples:

Aramid (Kevlar ®), Carboni, SiC (carburs de silici).

Fibres metàl·liques: Fibres metàl·liques de diàmetres grans. Conegudes vulgarment com a filferros. Exemples:

Acer, Molibdè i Tungstè.

Contínua (long.)

Discontinua (fibra curta)

La més forta

Discontinua i al atzar (policarbonat i fibra de vidre)


225

La matriu:

La matriu uneix les fibres i transmet la tensió a les fibres i suporta una part de la tensió. Característiques:

Cal que sigui dúctil i Em << Ef. (mòdul elàstic). Protegeix de danys mecànics i/o químics. Separa les fibres evitant la propagació de fisures. Cal que les unions siguin grans.

En general sols s’utilitzen metalls i polímers:

Exemples de possibles combinacions:

Fibres de vidre + Matriu plàstica: [els més comuns són els polièsters, i també nylon.] Utilització: dipòsits/conduccions.

No son prou rígids per ponts. Fibra de carboni + Matriu plàstica:

Utilització: parts estructurals d’avions. Fibra de Bur / Wolframi + Aliatges metàl·lics (Al, Cu, Mg, Ti).

Utilització: aeroespacial. Híbrids: (2 fibres, 1 matriu): Vidre / Carboni + Resina Polimèrica

Utilització: material esportiu, ortopèdia, etc.

Estructurals:

Laminars. Fibres en plàstics alternatius. Capes en dos dimensions direccionals. Utilització: esquí.

Panels Sandwich. Formats per un nucli i unes plaques que

actuen coma recobriments. Plaques: rígides i resistents. Nucli: menys rígid i deformable

(resisteix deformacions sense trencar) Utilització: sostres, ales d’avió. Exemples:

nucli: escumes, polímers, elastòmers. plaques: aliatges d’alumini, plàstic –

fibres, etc.

Aplicacions dels compòsits:

Sectors amb alt pressupost o amb necessitats de materials molt resistents: Els compòsits troben llurs principals aplicacions dins del transport aeri (civil i militar),

marítim i ferroviari, l’edificació i al sector aeroespacial (nau voyager [Volta al món sense reposar], Scaled Composites).

Sectors dispersos o diversos: Els compòsits s’usen en els esports i l’oci gràcies al seu bon comportament mecànic i la seva

baixa densitat. Els compòsits permet millorar les propietats mecàniques de molts elements i en la construcció

presenten una notable millora, però són molt cars. Amb els anys el preu d’aquets es reduirà i la seva aplicació en obra serà més rellevant.

Densitat (g/cm3) Carboni 1.8 Plàstics 1.2


226

C 50% O 43% H 6,1%

N 0,1-0,2% Cendres 0,2-0,7%

La Fusta

Consideracions generals:

La fusta, a més de ser utilitzada com a combustible i com a arma, és el primer material de construcció utilitzat per la humanitat.

La seva principal diferència amb la resta de materials que s’usen amb finalitats constructives

radica en el fet de tractar-se de matèria viva. Com a tal, presenta un cicle vital en el qual els processos de degradació són inevitables i

molt més accelerats que en altres tipus de materials d’origen mineral. En aquest sentit, la fusta és molt sensible a l’acció del medi, als cicles d’humitat i sequedat i a

l’acció del foc i dels microorganismes. Per aquesta raó, són molt poques les estructures de fusta que s’han conservat des del

passat fins els nostres dies.

Una altra característica important que distingeix la fusta d’altres materials és la seva marcada anisotropia, és a dir, les seves propietats són diferents segons la direcció en la qual es considerin.

Les fustes comercials es poden classificar en dos tipus, les fustes toves i les fustes dures.

Tot i que en un principi aquesta classificació estava basada en les característiques de duresa, densitat i treballabilitat del material, la vertadera distinció entre aquests dos grups es fonamenta en la botànica.

Les fustes toves provenen de coníferes, com el pi. Les fustes dures provenen d’un grup de les dicotiledònies, com el roure.

La majoria de fustes utilitzades en la construcció pertanyen al grup de les fustes toves, a causa de la seva disponibilitat en el nostre entorn i la seva treballabilitat.

Composició i estructura:

La composició elemental d’aquest material és independent del tipus de fusta considerat.

Els compostos químics fonamentals a la fusta són:

La cel·lulosa (40-50%). La cel·lulosa és el principal component estructural de la fusta, a la que dóna el seu

esquelet resistent. La cel·lulosa és un polímer lineal de fórmula (C6H10O5)n, on n pot arribar a ser de milers

d’unitats.

La lignina (24-28%) La lignina dóna a la fusta la seva rigidesa i resistència gràcies a la qual l’arbre pot

suportar la càrrega de la neu i resistir l’esforç del vent. Es troba a la fusta en forma amorfa incrustada a la xarxa cristal·lina de la cel·lulosa,

formant amb ella l’esquelet resistent de la fusta.

L’hemicel·lulosa (20-25%). L’hemicel·lulosa és un polímer les unitats bàsiques del qual són (C5H8O4)n i (C6H8O4)n, on

n té el valor de centenars d’unitats. Actua com agent cimentador que evita les fissures quan les fibres de la fusta són sotmeses

a esforços de flexió, torsió o compressió.

Altres components minoritaris (2-7%) són diverses resines, greixos, ceres, tanins, colorants i altres substàncies.


227

Estructura d’un tall transversal del tronc d’un arbre.

Medul·la. Part central de l’arbre i està constituïda per un teixit flonjo i porós. Fusta més vella. [Ø aprox. de 12 mm]

Duramen. Fusta de la part interior del tronc, amb una coloració més fosca que la de la part exterior, i també amb major resistència mecànica i durabilitat.

Les capes de la zona externa es van convertint en duramen amb el temps.

Albura. Fusta més nova que es troba a la regió externa del tronc. És la zona viva de l’arbre, i es troba saturada de sàvia i matèria orgànica que nodreixen la fusta. Amb el tems es converteix en duramen.

Més porosa i lleugera que el duramen, és més vulnerable a l’atac biològic. Cambium. Capa situada entre l’albura i el líber que constitueix la base pel creixement del

tronc, de generació de cèl·lules. Genera noves cèl·lules, cap l’interior (albura) i cap l’exterior (líber).

Líber. Part interna de l’escorça, viva, filamentosa i de poca resistència. Escorça. Capa exterior que embolcalla el tronc i protegeix l’arbre. Radis medul·lars. Làmines primes d’un teixit, les cèl·lules del qual es desenvolupen en

direcció radial perpendicular als anells de creixement. Contribueixen a que la deformació de la fusta sigui menor radialment que tangencialment. En ser un teixit poc resistent, constitueixen les zones de trencament a compressió quan

s’exerceix un esforç paral·lel a les fibres.

Fustes utilitzades en construcció: [bàsicament de dos tipus]

Coníferes (o resinoses): Les coníferes són les fustes més antigues (de l’era primària), i es poden trobar en zones fredes

i temperades. Aquestes fustes són les de millor qualitat per a la construcció pel que fa a les característiques

de treball i resistències mecàniques. En aquest grup trobem, entre d’altres, les fustes següents:

Pi silvestre (Pinus sylvestris). Molt abundant a Espanya, de gra fi i fàcil de treballar. És molt usada com a fusta per a construcció en tarimes, obres hidràuliques i travesses.

Pi larici (Pinus laricio). Molt utilitzat en construcció naval. Pi negral (Pinus pinaster). Resisteix bé les tensions estàtiques, però és fràgil davant

esforços dinàmics. Pi rígid. Molt compacte, d’elevada densitat i resistent al desgast. S’importa d’ Estats

Units i Canadà, i s’utilitza en treballs de qualitat de fusteria, tarimes, escales i bótes.

Frondoses: Les fustes frondoses, formades a partir de l’era secundària, són característiques de zones

temperades i tropicals. Pel seu aspecte i qualitat, s’utilitzen en treballs d’ebenisteria.

Entre aquestes fustes es poden destacar les següents: Roure. La seva fusta és dura, tenaç i poc alterable. És la que millor resisteix les

alternances humitat/sequedat, però és propensa a patir atacs per insectes. És molt apreciada per a obres hidràuliques i ponts, però per a construccions ordinàries (per exemple, bigues) resulta massa cara.

Faig. La seva fusta és dura i pesada. Acabada de tallar és blanca, però es va enfosquint amb el temps. Resisteix malament les alternances humitat/sequedat i és molt vulnerable a l’atac del corc.

Castanyer. Molt semblant a la del roure, és una de les fustes espanyoles amb més aplicacions en fusteria i ebenisteria.

Altres fustes: Om, salze, noguera.

Fustes exòtiques. Fustes no autòctones que s’utilitzen amb certa freqüència..

Exemples: banús [ébano] (procedent de Guinea), balsa (d’Amèrica Central) o caoba (de la costa occidental de l’Àfrica).


228

Propietats físiques:

Anisotropia. La fusta és un material marcadament anisòtrop, és a dir, les seves propietats canvien segons la

direcció considerada. Podem doncs, definir tres direccions principals característiques en les quals es defineixen

i determinen les propietats de la fusta, i que es mostren a la figura. La direcció axial és paral·lela a la direcció de creixement de l’arbre; la radial és

perpendicular a l’axial; la direcció tangencial és normal a les dues anteriors.

Humitat.

La fusta pot contenir aigua de tres maneres diferents:

Aigua de constitució o aigua combinada.. Forma part de la fusta pròpiament dita i només pot ser eliminada per destrucció tèrmica

de la fusta Aigua de saturació o aigua d’impregnació.

Es troba a les parets cel·lulars i es pot eliminar per escalfament a 100~110ºC. Aigua lliure.

És aquella que es troba continguda als vasos i traqueïdes de la fusta.

Es considera humitat de la fusta únicament els dos últims tipus d’aigua indicats.

La humitat s’acostuma a expressar com a % referit bé a la matèria humida, bé a la matèria seca (més normalment). A la fusta verda (acabada de tallar), la humitat pot superar el 100%. Si la fusta es

submergeix en un bany d’aigua, la humitat pot superar el 200%, ja que en aquest cas es trobarà totalment saturada.

La humitat no és constant en tota la peça de fusta (és més elevada a l’interior) ni al llarg

de tot l’any (més a l’estiu que a l’hivern).

Una fusta assecada a l’aire pot contenir entre 13 i 18% d’humitat, mentre que una fusta amb una humitat superior al 30% es considera saturada (respecte l’aigua de saturació).

La humitat influeix en totes les propietats de la fusta, per la qual cosa els assaigs duts a terme per a la seva determinació cal fer-los amb un contingut d’humitat constant i prèviament fixat.


229

100 1 1 1 1100 100 100

a trv

d ddd ⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎛ ⎞= × + × + × + −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦

Deformabilitat.

La fusta augmenta de volum en humitejar-se, però a causa de la seva anisotropia, aquest canvi de volum és diferent segons la direcció considerada.

Mentre la deformació és petita en la direcció axial, i al voltant del 6% en la direcció radial, en la direcció tangencial pot triplicar aquesta última..

Contracció volumètrica de la fusta de faig

Es defineix el punt de saturació com aquell contingut d’humitat pel qual les parets de les fibres han absorbit tota l’aigua que podien absorbir.

En aquest punt, la separació de les cèl·lules a causa de l’absorció d’aigua és màxima. A partir del punt de saturació, l’aigua absorbida es trobarà en forma d’aigua lliure

continguda en els vasos del teixit de la fusta. El contingut d’aigua pot seguir augmentant, però no anirà acompanyat d’un augment de

volum.

La deformació volumètrica total (dv) es defineix com la variació de volum entre els estats saturat i sec de la fusta, i s’expressa en funció de les deformacions axial (da), radial (dr) i tangencial (dt).:

Es calcula mitjançant la formula.

Es defineix el coeficient de contracció volumètrica (V) com la contracció volumètrica que

correspon a una variació d’humitat del 1%, i Es calcula mitjançant la formula:

on Va és el volum de la proveta en estat anhidre (0% d’humitat) i Vh és el volum de la proveta a una humitat del h%.

Segons el seu coeficient de variació volumètrica, les fustes es poden classificar en: Fustes de contracció dèbil (0,15% ~ 0,35%). Fustes de contracció mitja (0,35% ~ 0,55%). Fustes de contracció forta (0,55% ~ 1,00%).

100·

h a

a

V VVV h−

= ×


230

Densitat.

Depenent del tipus de fusta considerat podem trobar una gran variació en les seves densitats.

Aquesta variabilitat prové, principalment de les diferències en la relació entre l’aire intracel·lular i les parets de les cèl·lules.

Tot i així, es poden trobar diferències entre les densitats d’arbres de la mateixa espècie com a resultat de variacions en les velocitats de creixement, determinades pel clima, la latitud i les condicions del sòl.

Si en calcular la densitat tenim en compte els porus del material, obtindrem la seva

densitat aparent.

Si no considerem el volum ocupat pels porus, obtindrem la densitat real, que s’acostuma a trobar entre 1,52 i 1,62 kg/dm3.

D’altra banda, i ja que el volum d’una peça de fusta varia segons la seva humitat, és

convenient referir sempre la densitat aparent a una humitat determinada, normalment del 15% (humitat d’obra internacional).

Des d’un punt de vista pràctic, la importància de la densitat en la fusta rau en ser un paràmetre indicatiu de la seva resistència, especialment en el cas de les fustes toves de baixa densitat. Tot i això, no és possible la predicció precisa de la resistència a partir de la densitat a causa de la influència que tenen molts altres factors.

Propietats Tèrmiques:

Com tots els materials, la fusta es dilata amb la calor i es contrau en baixar la temperatura, tot i que aquest efecte no s’acostuma a apreciar.

La dilatació provocada per l’augment de temperatura ve acompanyada de la contracció a causa de la pèrdua d’humitat.

En qualsevol cas, la dilatació i la contracció tèrmiques són petites, i cinc cops més grans en les direccions radials i tangencial que en l’axial.

Ja que la fusta té una estructura que conté nombroses cavitats d’aire, aquest material és un mal

conductor tèrmic. Per la mateixa raó, la fusta humida condueix més la calor que la fusta seca.

Propietats Elèctriques:

La fusta seca és un bon aïllant elèctric.

La seva resistivitat decreix ràpidament en augmentar la humitat. Per a un grau d’humitat determinat, la resistivitat creix amb la densitat i és menor en les

espècies que no contenen olis ni resines.

( )15115100h h

VP P h P −= − − P15 és la densitat aparent a la humitat del 15%,

Ph és la densitat aparent a la humitat del h%, V és el coeficient de contracció volumètrica


231

Propietats Mecàniques:

La màxima resistència a compressió en la fusta correspon a l’esforç exercit en direcció axial, i

disminueix en allunyar-nos d’aquesta direcció. La resistència a compressió depèn de molts factors; entre ells, un dels més importants és la

humitat. En general, per sota del punt de saturació (30% d’humitat), la resistència a compressió

augmenta en disminuir la humitat. Aquest efecte s’explica en relació als enllaços de tipus secundari que es formen entre

les microfibres de la fusta en absència d’aigua, quan les cèl·lules poden estar més properes..

Pel que fa la resistència a tracció, el caràcter anisòtrop de la fusta té una influència més acusada

que en el cas de la resistència a compressió. És més gran la diferència entre la resistència a tracció axial i radial.

Si exercim un esforç a tracció en direcció axial, la deformació obtinguda serà molt menor que en el cas d’exercir un esforç a compressió.

A tracció la fusta es comporta com un material fràgil de fractura sobtada. La resistència a tracció en la direcció axial pot arribar a ser en algunes fustes fins tres cops

més gran que la resistència a compressió. A diferència de molts materials en els quals la resistència a compressió més gran que la

resistència a tracció.

Influència del contingut d’humitat en la resistència i el mòdul d’elasticitat.

Durabilitat:

Tots els materials de construcció pateixen atacs, més o menys intensos, d’agents externs. La fusta, a més de patir aquests atacs, com a ésser viu, pateix una acció d’ordre biològic de la que els altres materials estan lliures i que es pot considerar des de dues perspectives: d’una banda, les alteracions pròpies de la degradació dels organismes vius; d’altra banda, la fusta és més vulnerable a la degradació biològica causada per agents externs.

La durabilitat natural de la fusta depèn molt del tipus i de l’espècie vegetal de la qual prové. Les

fustes considerades més durables poden existir en bones condicions al voltant de 25 anys. La majoria de fustes toves utilitzades en construcció tenen una durabilitat natural de 5 o 10 anys.

Podem classificar els agents que afecten la durabilitat de la fusta segons siguin.

D’origen biològic. Fongs, Insectes, Organismes Marins i altres Organismes.

D’origen no biològic.

Foc, Humitat, Cicles d’humitat/sequedat i Agents Químics.

Dels factors citats, els fongs, els insectes xilòfags i el foc són els més perillosos per la fusta.

% Humitat Resistència a compressió axial (MPa)

Mòdul d’elasticitat (MPa·103)

9 37,0 8,5 33 16,5 4,5


232

Atacs biòtics:

Fongs. Els fongs són organismes vegetals sense clorofil·la que es reprodueixen per espores. Els fongs no poden sintetitzar la matèria orgànica per a la seva supervivència, així que

metabolitzen la d’altres organismes. De la fusta, els fongs consumeixen la cel·lulosa i la lignina. A mesura que l’atac per fongs progressa, la fusta es podreix, canvia de coloració i es

torna seca, tova i esponjosa, segons el tipus de fong agressor. Diversos factors poden afectar el procés d’atac per fongs a la fusta, entre ells els més

importants són: La quantitat d’aire. La humitat (mínim 20%). La temperatura (entre 2 i 40ºC).

Els fongs que ataquen la fusta es poden classificar fonamentalment en quatre grups:. Fongs que produeixen coloració a la fusta. Fongs que ataquen els arbres en peu. Fongs que ataquen els arbres tot just tallats o molt humits. Fongs que ataquen la fusta en servei.

Insectes xilòfags.

Els insectes destructors de la fusta, de la mateixa manera que els fongs, necessiten unes condicions determinades de temperatura i humitat per a sobreviure. En general, als 45-50ºC els insectes entren en una fase de cessament de la seva activitat,

tot i que la mort de l’insecte no es produeixi fins al voltant de 50-55ºC. Podem distingir entre dos tipus d’insectes que ataquen la fusta:

Els que són introduïts en forma d’ous, però no es reprodueixen a costa de la fusta. En aquest cas, l’atac consisteix en la perforació de galeries a través de l’escorça i al si

del cos llenyós. Aquest tipus d’atac permet obre una via de pas o d’atac pels fongs.

Insectes que es reprodueixen a costa de la fusta. Els que causen atacs més greus són: Les termites (que formen nius a la fusta destruint-ne les parts més toves). Els corcs (que no ataquen la capa superficial, sinó que perforen galeries en

profunditat a la fusta).

Altres organismes. Entre els altres organismes que ataquen la fusta, podem trobar

Diversos organismes marins, principalment mol·luscs. Diversos animals (conills, ratolins).

Aquest animals no causen problemes greus però poden vulnerabilitzar la fusta per a posteriors atacs per part dels fongs o dels insectes.

Atacs abiòtics.

Factors ambientals. Oxidació a l’aire.

Provoca l’envelliment de la fusta i una coloració fosca, tot i que no acostuma a donar lloc a una pèrdua de resistència, tret que tingui lloc en elements de poc gruix.

Cicles humitat/sequedat. Calor.

Perjudicial si es tracta d’una acció prolongada. Cicles de gel/desgel.

Provoca l’aparició d’esquerdes radials que, a més de disminuir la resistència de la fusta, poden facilitar l’atac per fongs.


233

Acció del foc. L’acció del foc és molt perjudicial per a la fusta, especialment és rica en resines, olis i

matèries grasses. La fusta comença a descompondre’s quan la temperatura supera els 250ºC.

Tot i això, a causa de la baixa conductivitat tèrmica de la fusta la carbonització superficial produeix un efecte aïllant que provoca un efecte retardant de la combustió interior, principalment en peces de gruix elevat..

Agents químics.

Els àcids i les bases poden atacar la fusta hidrolitzant la cel·lulosa o dissolent la lignina. En general, els atacs bàsics són més perjudicials en aquest sentit.

D’altra banda, la fusta pot tenir un efecte corrosiu sobre alguns metalls. Aquest atac pot ser produït bé per ella mateixa, bé per efecte de fongs o de diversos

additius que s’hagin afegit per a protegir-la.

Conservació de la Fusta:

Conservants.

Existeixen diversos tipus de conservants destinats a protegir la fusta dels atacs que s’han descrit a l’apartat anterior.

Les característiques comunes que tenen tots ells són les següents:.

Alta toxicitat pels fongs i insectes que destrueixen la fusta. Baixa toxicitat per a humans, plantes i animals. Penetrabilitat. Permanència. [no es degraden amb el temps] Naturalesa no corrosiva respecte altres materials. No inflamabilitat.

Els conservant es poden aplicar per diverses tècniques, entre les quals destaquen les tècniques

per immersió i les tècniques per injecció.. Els tractaments per immersió consisteixen a submergir la fusta en un bany del líquid

conservant el temps suficient per tal que aquest penetri a la peça. Per a millorar la penetració, s’escalfa el bany provocant la dilatació de l’aire contingut a

la fusta i la seva expulsió parcial. A continuació, el bany es refreda, de manera que l’aire interior es contrau i la pressió

atmosfèrica impulsa el líquid a l’interior de la peça. En els tractaments per injecció, el líquid es força a entrar als porus de la fusta, aconseguint

una penetració més gran que en el cas de les tècniques per immersió..

Tractaments superficials.

Els principals tractaments superficials són la carbonització, i els tractament amb pintures i vernissos.

Carbonització.

S’aconsegueix l’eliminació d’organismes perjudicials que provoquen alteracions a la fusta.

Aquest tractament s’aplica principalment a fustes enterrades o que estaran en contacte amb el sòl.

La profunditat de la zona carbonitzada és d’uns pocs mil·límetres. Aquest tractament s’utilitza relativament poc, ja que no proporciona una protecció

impermeable. Protecció proporcionada per pintures i vernissos.

Consisteix en una capa prima impermeable a l’aigua i els agents destructors de la fusta. Els seus avantatges són un baix cost i la possibilitat de repetir el tractament

periòdicament.


234

Productes Processats de la Fusta:

La fusta com a material de construcció presenta una sèrie d’inconvenients que els productes processats de fusta intenten superar.

Entre aquests desavantatges els més importants són: La seva anisotropia. L’elevada presència de defectes que provoquen la disminució de la resistència. L’interval limitat de mides (tant en secció com en llargada) disponibles comercialment. La dificultat del procés d’assecament en peces de secció gran.

Diferents productes processats de fusta

Taulers rexapats.

Conjunt format per un número senar de làmines fines de fusta, adherides les unes a les altres, cadascuna de les quals tenen les seves fibres en direcció perpendicular a les fibres de fulles contigües..

Ja que les variacions d’humitat afecten poc a la dimensió de les peces de fusta paral·leles a la fibra, i a més la resistència a tracció i a compressió és màxima en la direcció paral·lela a les fibres, amb la disposició alternada el tauler s’aconsegueix que les fibres longitudinals evitin el moviment de les transversals, i que la resistència de les primeres col·labori a la resistència de les últimes.

Així doncs, s’aconsegueix una peça de fusta isòtropa en el pla i que no es deforma per canvis d’humitat.

Fusta laminada.

Es fabrica amb la mateixa tècnica que el tauler rexapat, però disposant totes les capes de fusta amb les fibres en la mateixa direcció.

Per a la fusta laminada s’utilitzen adhesius sintètics que formen una làmina contínua que fa de fibra creuada, evitant els moviments de la fusta..


235

Aglomerats.

Un aglomerat és un tauler fabricat amb petites encenalls de fusta encolades a pressió. Segons la seva fabricació, existeixen tres tipus d’aglomerats:

D’una capa: les encenalls són de mida similar i es troben distribuïdes de manera uniforme, donant una superfície relativament grollera que no admet bé cap tipus d’acabat.

De densitat graduada: amb encenalls molt fines a la superfície i més grosses al centre, seguint una transició uniforme. La seva superfície és més suau i permet cert tipus d’acabats.

De tres capes: el seu nucli es troba composat per encenalls disposades entre dues capes exteriors de partícules molt fines d’alta densitat i amb una alta proporció de resina, cosa que dóna una superfície molt suau que admet la majoria d’acabats i recobriments.

En construcció, els aglomerats s’utilitzen sense cap recobriment per a divisió d’interiors, com a base de cobertes, bases per a sòls, etc..

No es poden fer servir en condicions d’humitat (exteriors o cambres de bany) ja que amb la humitat tenen tendència a inflar-se i no es recuperen després d’assecar-se. Per aquestes condicions existeix l’aglomerat hidròfug, al qual se li afegeixen productes

químics per a repel·lir la humitat.

Aplicacions:

La fusta té diverses aplicacions com a material de construcció a causa de les seves propietats:

Elevada relació entre resistència i pes. Treballabilitat. Bon aïllament tèrmic. Duresa. Bona aparença.

Les aplicacions de la fusta inclouen diversos usos:

Construcció nàutica. Elements verticals. Travesses. Pals (per a l’enllumenat, etc.). Elements estructurals (bigues, armadures per a cobertes). Bastides. Encofrats. Portes. Finestres. Persianes. Diversos tipus de paviments.


236

Annex


237


238

[ ]a

H AcK

HAc

+ −⎡ ⎤ ⎡ ⎤⋅⎣ ⎦ ⎣ ⎦=

Dissolucions Tampó

Una dissolució tampó, o dissolució amortidora o buffer, és una dissolució d’un àcid feble i la seva sal, o d’una base feble i la seva sal.:

Exemple: Àcid Acètic (HAc) + Acetat de Sodi (NaAc):

HAc ↔ H+ + Ac- NaAc → Na+ + Ac-

El pH de la dissolució depèn només de la constant de l’àcid (o, en el seu cas, de la base) i del quocient de les concentracions de l’àcid i la seva base conjugada.

[ ][ ]HAcAcpKpH a

−

+= log

D’altra banda, les dissolucions tampó tendeixen a mantenir constant el pH quan se’ls afegeix petites quantitats d’un àcid fort o d’una base forta. Per això cal que el quocient de concentracions entre l’àcid i la seva base conjugada es trobi entre 0.1 i 10.

Una dissolució amortidora és més efectiva quan més semblant és el seu pH al seu pK, és a dir

quan les concentracions de l’àcid i la seva base conjugada són iguals.


239


240

Formulació Inorgànica:

Principals Nombres d’ Oxidació:

Lleis bàsiques de Formulació:

Ia VIIIa H

+1 -1 IIa IIIa IVa Va VIa VIIa

He 0

Li +1

Be +2

B +3 -3

C +4 -4

N +1 +3 -3 +5

O -2

F -1

Ne 0

Na +1

Mg +2

IIIb IVb Vb VIb VIIb VIIIb ¬ Ib IIb

Al +3

Si +4 -4

P +1 +3 -3

+5

S +2 -2 +4 +6

Cl +1 -1 +3 +5 +7

Ar 0

K +1

Ca +2

Ti +2 +3 +4

V +2 +3 +4 +5

Cr +2 +3 +6

Mn +6 +7 +4

Fe +2 +3

Co +2 +3

Ni +2 +3

Cu +1 +2

Zn 2+

Ga +3

Ge +2 +4

As +3 -3

+5

Se +2 -2 +4 +6

Br +1 -1 +3 +5 +7

Kr 0

Rb +1

Sr +2

Mo

Tc

Pd +2 +4

Ag +1

Cd 2+

In +1 +3

Sn +2 +4

Sb +3 -3

+5

Te +2 -2 +4 +6

I +1 -1 +3 +5 +7

Xe 0

Cs +1

Ba +2

La +3

Re

Pt +2 +4

Au +1 +3

Hg +1 +2

Tl +1 +3

Pb +2 +4

Bi +3 +5

Po +4 +6

At

Rn 0

Fr +1

Ra +2

Ac +3


241

Formulació Orgànica:

Química Orgànica: Es basa en compostos formats principalment per Carboni i Hidrogen, i sovint també hi ha la

presencia d’oxigen. Propietats dels compostos al Carboni:

Són poc solubles en aigua. Son solubles en dissolvents orgànics. Reaccionen lentament.

Necessiten una gran quantitat d’energia.

No condueixen el corrent elèctric. Tenen poc a estabilitat tèrmica.

Es desfan o s’inflamen fàcilment.

Hidrocarburs: Cadenes de Carbonis i Hidrògens

Hidrocarburs de Cadena Oberta:

Saturats: Alcans:

Formula Empírica: Cn H2n + 2 Terminació “ à ”. Des de Metà fins Butà son gasos. Des de Pentà fins a Nonà són líquids. [Pentà, Hexà, Heptà, Octà i Nonà] A partir del decà són sòlids.

Alcans Ramificats: Alcans que perden un hidrogen i queden com a radical alquil. Es considera sempre la cadena més llarga on es deriven la resta de radicals. Es numeren els Radicals començant per l’extrem on son més propers. Si hi ha més d’un radical igual afegir el prefix di, tri, tetra, … Si en un carboni hi ha més d’un radical s’ha de repetir el nº.

Metil: CH3 Etil: CH2CH3 3,3,5 - trimetilheptà Propil: CH2CH2CH3 Butil: CH2 CH2 CH2CH3

Insaturats:

Alquens: Tenen enllaços dobles: C = C CH2 = CH2 (Etè) Formula Empírica: Cn H2n Terminació “ è ”. Comencem a anomenar els carbonis per l’extrem més proper al doble enllaç

Alquens Ramificats: Igual nomenclatura que els alcans ramificats. Excepte: La cadena més principal es considera la cadena més llarga que inclou el doble enllaç. Si

hi ha més d’un doblen enllaç, la principal és la que els inclou els dos. Alquins:

Tenen enllaços triples: C ≡ C CH ≡ CH (Etí) Formula Empírica: Cn H2n - 2 Terminació “ í ”. Comencem a anomenar els carbonis per l’extrem més proper al triple enllaç

Alquens Ramificats: Igual nomenclatura que els alquens ramificats però considerant doble enllaç.

Presència de Dobles i Triples Enllaços:

Si una cadena té dobles i triples enllaços, els dobles s’anomenen primer.

Derivats Halogenats: Es substitueix un hidrogen per un gas halogen.

[ F (Fluoro-) , Cl (Cloro-) , Br (Bromo-), I (Iodo-) ]. Comencem a anomenar els carbonis per l’extrem que té més halògens.

Metà: CH4 Età: CH3 CH3 Propà: CH3CH2CH3 Butà: CH3CH2CH2CH3


242

Hidrocarburs de cadena tancada o Cíclics:

Cicloalcans, Cicloalquens i Cicloalquins: S’afegeix el prefix “ciclo-” al nom de l’alcà/è/í. :

Hidrocarburs Aromàtics o Benzènics:

Benzè: C6H6. Estructura tancada en forma d’hexàgon regular i unida amb enllaços mixtes, més forts

que els simple però més dèbils que els dobles. Presenta ressonància. El radical corresponent al benzè s’anomena Fenil: C6H5.

Grups Funcionals:

Característiques d’alguns grups funcionals i exemples:

Alchohols: Etanol: alcohol dels vins, … Fenol: Àcid. La unió OC és molt forta i allibera amb facilitat H+.

Eter: Dimetileter: Narcòtic:

Aldehid i Cetones: Formaldehid: Conservant molt fort. (conegut vulgarment com a formol). Propanona: Dissolvent per treure els esmalts d’ungles.

Isomerisme:

Els isòmer són compostos orgànics que tenint la mateixa fórmula molecular difereixen en la seva estructura o configuració en l’espai.

Isomeria Estructural: De Cadena: diferent col·locació d’alguns àtoms o grups d’àtoms. De Posició: diferent posició d’un grup funcional o d’un radical. De Funció: diferència en el grup funcional.

Preferència dels grups funcionals Nomenclatura Família Fórmula Grup

funcional Sufix Prefix Hidrocarburs

saturats Cn H2n + 2 C C - à (il)

Hidrocarburs insaturats

Cn H2n Cn H2n - 2

C = C C ≡ C

- è (enil) - í (inil)

Derivats halogenats

F, Cl, Br, I

Fluoro, cloro, bromo, iodo

Alcohol o fenol OH - ol [benzenol, fenol]

Hidroxi -

Èter

C O C - oxi- Oxa -

Aldehid C = O R CHO

- anal (1) o –dial(2) [metanal, formaldehid]

Formil -

Cetona

C = O R CO R

- ona Oxo -

Àcid carboxílic R COOH Àcid + - anoic [metanoic, fòrmic] [etanoic, acètic]

Carboxi -

Èster

R COOR - noat + de + “radical” [metanoat..., formiat...] [Etanoat..., acetat]

Oxicarbonil -

Amina

R NH2 R2-NH / R3-N

- amina (-nitro [radical]) → Prefix di, tri, [N-]

Amino -

Amida

R CONH2 - amida [metanamida, formamida]

Carbamoïl -

Nitril

R C ≡ N - nitril Ciano -

Nomenclatura: Al anomenar els hidrocarburs amb grup funcional hem d’afegir una “n” entre grup alquil o aril i el grup funcional. Si el g.f. és di..., tri... afegir “no”


243

Materials

Documents

Transcript of Materials