CLASE Nº 1

MATERIAL PÉTREO

UNIDAD I

Características y Propiedades de los Materiales

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EL MATERIAL

La piedra es probablemente junto con lamadera el primer material usado por elser humano para construir herramientasy utensilios.No obstante su uso en estructuras comocasas, corrales, templos o caminos esbastante posterior, llegando a concretarejemplos magníficos de ingenio y manejodel material, como en las pirámidesegipcias y mesoamericanas, los templosgriegos, los acueductos romanos o lascatedrales góticas.

Stonehenge, 2300 AC

Pirámides de Giza, 2600-2500 AC

Pirámide del Sol, 100-150 DC

Machu Picchu, 1450 DC

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EL MATERIAL

Acrópolis, 429 AC. Panteón de Agripa, 125 DC Coliseo, 70-72 DC

Puentes Romanos, Siglo I AC.

Agha Sofía, 523-537 DC

Acueducto de Segovia, Siglo I DC.

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EL MATERIAL

Murallas de Ávila, Siglo XII DC.

Catedral de Toledo, 1226-1493 DC.

Catedral de Chartres, 1194-1260 DC.

Catedral de Notre Dame, 1163-1255 DC.

Basílica de San Pedro, 1503-1626 DC.

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

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

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ORIGEN DE LAS ROCAS

Las piedras y rocas provienen de ladescomposición de la roca madre, o sea,de la corteza terrestre. La teoría de lasplacas tectónicas establece que lacorteza está fracturada en varias placasque se mueven lentamente una respectoa otra, provocando los fenómenossísmicos y volcánicos.

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ORIGEN DE LAS ROCAS

Bajo la corteza terrestre se encuentra elmagma, material fundido a altastemperaturas que puede subir a lasuperficie a través de grietas en forma delava, de cuyo enfriamiento se forman lasrocas ígneas extrusivas, que sediferencian de las rocas ígneas intrusivasen la velocidad y lugar de su enfriamiento.

Las rocas de basalto o basálticas son eltipo más común de rocas ígneas extrusivas(color oscuro). La roca ígnea intrusiva máscomún sobre la superficie de la Tierra es elgranito, el que está formado por mineralesde silicato comunes, tales como el cuarzo yel feldespato, además de pequeñascantidades de minerales de mica.

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ORIGEN DE LAS ROCAS

Desde el momento mismo que las rocaseruptivas afloran a la superficie de la tierracomienza el proceso de descomposición.

Hay factores externos tales como accióndel agua, del viento, cambios detemperatura y los mismos seres vivos.

Hay también factores internos tales comodeficiencia de electrones en uno de losconstituyentes, fallas en la conformación delos cristales (defectos cristalinos) ynaturaleza del elemento metálico.

Una de las formas más simples de desintegración de la roca es poracción mecánica, ya que su propia estructura facilita los cortespoliédricos al producir hendiduras.

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ORIGEN DE LAS ROCAS

La disgregación mecánica se efectúa en tres etapas: disyunción,desintegración granular y fragmentación.

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

b) Desintegración granular. Una roca es un conjunto de granosunidos entres si por la acción de moléculas en estado caóticoubicadas junto a la superficie de los granos, constituyendo elespacio intergranular. Por efecto de los agentes externos, los granosse van separando constituyendo arena. Mientras más pequeños sonlos granos, mayor es el espacio intergranular y mayor es también ladisgregación granular.

c) Fragmentación. Por la acción química de los agentesatmosféricos, los granos son atacados y transformados en otrosminerales.

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ORIGEN DE LAS ROCAS

En esto juego un papelfundamental el clima, ya queprovoca la meteorización de lasrocas, o sea, cambios profundoscomo consecuencia de los ciclosde hielo deshielo, la acción delagua, del viento, de ácidos u otroselementos propios del ambiente.

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ORIGEN DE LAS ROCAS

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TIPOS DE ROCAS

ROCAS SEDIMENTARIAS.Todas las rocas sedimentarias se forman en la superficie de la tierray toda la materia que las constituyen provienen de la cortezaterrestre. Por eso se llaman también rocas exógenas.Por provenir de la desintegración de otras rocas, no muestrangranos pues sus cristales son pequeñísimos. Es frecuente encontrarrestos fosilizados de vegetales y animales.Por su origen se las agrupa en rocas detríticas, químicas yorgánicas:

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TIPOS DE ROCAS

ROCAS SEDIMENTARIAS.a) Rocas detríticas. Se originan por la destrucción mecánica de

rocas eruptivas. Ejemplos: arenas, gravas, conglomerados yareniscas.

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

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

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TIPOS DE ROCAS

ROCAS METAMORFICAS.Son rocas eruptivas o sedimentarias transformadas por diversosfactores, siendo el más importante la presión. Se producen portransformación de los cristales. Ejemplos: pizarra, mármol.

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TIPOS DE ROCAS

DESCOMPOSICIÓN ARTIFICIAL DE LOS ÁRIDOS.Se puede hacer el trabajo que la naturaleza realiza de forma muchomás rápida con máquinas que trituran piedras de mayor tamaño ylas reducen al requerido según el cliente.Estas máquinas se denomina trituradoras, y se diferencian en dosgrupos: las trituradoras primarias y las secundarias.

Las trituradoras primariasrompen bloques sacados delas canteras, comprendiendodos variantes:machacadoras y molinos.

Las trituradorassecundarias consiguen untamaño menor de áridos y sedividen en granuladoras ygravilladoras.

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PIEDRA ARTIFICIAL

Se denomina así a los materiales que utilizan aglomerantes yáridos (piedras) como materia prima de un nuevo elemento al quese le da una forma determinada, generalmente con un molde, y a laque muchas veces se le dan de antemano características especialescomo resistencia, dureza, etc.Dentro de estos el más conocido y utilizado es el hormigón oconcreto, material que veremos más adelante en este curso.

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USOS DE LA PIEDRA

La piedra como material de construcción debe entenderse desdetres usos principales:

- Bloques para ejecución de estructuras.

- Chapas para revestimientos de muros y pisos.

- Como parte de materiales compuestos.

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PIEDRA PARA ESTRUCTURAS

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

Es aconsejable saber el origen de la piedra a ocupar, e idealmenteconocer sus características en laboratorio.

La piedra debe ser homogénea, compactas, sin grietas nicavidades, resistentes a las cargas y a los agentes atmosféricos.

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PIEDRA PARA ESTRUCTURAS

Las piedras deben ser resistentes alfuego, presentar buena adherencia almortero de pega (*) y de fácil labradocuando se requiere dar forma.

Se puede emplear con distintos grados depreparación, destacando:

a) La piedra sin labrar (bruta).

b) El mampuesto (bloque con unacara labrada).

c) El sillar (bloque totalmentelabrado).

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REVESTIMIENTOS DE PIEDRA

La piedra como revestimiento para muros y pisos se suele emplearde forma que su superficie queda más o menos rústica, o sea,irregular.

Para esto se pueden emplear piedras naturalmente planas ydelgadas llamadas lajas, cuyo espesor varía generalmente entre 8a 15mm y se disponen sobre el paramento a cubrir formando unasuerte de mosaico (piedra capricho).

También se pueden usar enchapes de piedra cortados conmaquinaria especializada, cuyo espesor va entre 12 y 30mm conforma son rectangular.

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PIEDRA COMO AGREGADO

La piedra puede formar parte de materiales compuestos como elhormigón en base a cemento o en concretos asfálticos.

En cualquiera de ellos el material pétreo cumple la función deesqueleto soportante, vale decir, le da cuerpo a la mezcla. Poresta razón es que deben cumplir con diversos requisitos físicos yquímicos establecidos por diferentes normas.

Como la piedra es un material inerte que no debe reaccionar conlos otros elementos de la mezcla se le suele denominar comoárido. También se le suele llamar agregado, ya que no cumpleninguna función específica más que dar cuerpo a la mezcla.

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PIEDRA COMO AGREGADO

COMPONENTE DIÁMETRO (mm.)

Bloques Sobre 250

Bolones 250 a 76

Ripio 76 a 38

Grava 38 a 19

Gravilla 19 a 9,5

Gravarena 9,5 a 4,76

Arena Gruesa 4,76 a 2,00

Arena Fina 2,00 a 0,42

Arenilla 0,42 a 0,053

Limo 0,053 a 0,005

Arcilla 0,005 a 0,0001

Coloides Menor a 0,0001

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

ÁRIDO GRUESO

ÁRIDO FINO

MATERIAL FINO

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CARACTERÍSTICAS

En términos generales, las partículas que conforman un agregadodeben cumplir los siguientes requisitos generales o características:

RODADO

CHANCADO

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

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

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

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

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CARACTERÍSTICAS

Además existen dos propiedadesfundamentales:

* Densidad: es la relaciónentre la masa del conjunto departículas y su volumen.

* Granulometría: es elestudio de la distribución detamaños de partículas de unmaterial granular.

5) Pueden ser de origen natural o artificial, aunque generalmentese preferirán los primeros.6) Superficie específica: la superficie específica es la suma de lassuperficies de las partículas por unidad de masa. A mayor superficieespecífica mejor será la adherencia al aglomerante, pero al mismotiempo es mayor la demanda de aglomerante.7) Contaminación superficial: las partículas que provienen dechancado artificial pueden contener cantidades excesivas depolvo en la superficie lo que reduce la adherencia al aglomerante.

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DENSIDAD

La densidad (d) se define como:

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

d = mv

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

Material Densidad real T/m3 Densidad Aparente T/m3

Arena 2,65 1,65

Grava 2,75 1,75

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GRANULOMETRÍA

Mediante la granulometría se puede determinar la distribuciónporcentual de los tamaños de partículas contenidas por unagregado. Para el estudio de la granulometría se utilizan tamicesde acuerdo a las series dadas por la norma NCh 165. No obstante,en Chile no se fabrican tamices y se acepta la utilización de lasseries dada por la norma ASTM C- 33, presentada en la siguientetabla:

Grava Arena

NCh 165mm

ASTMC - 33

NCh 165mm

ASTMC – 33

8063504025201310

3” 2 ½ “

2” 1 ½ “

1” ¾ “½”

3/8”

52,51,1250,6300,3150,160

# 4 (4,76)# 8 (2,36)# 16 (1,18)# 30(0,600)# 50(0,300)# 100(0,150)

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GRANULOMETRÍA

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

0 – 10mm.c) Gravilla 5 – 10.

d) Gravilla 10 – 20.

A B

C D

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GRANULOMETRÍA

Para el análisis granulométrico se debe hacer pasar una muestrade material seco, de masa conocida, por la serie de tamicescorrespondiente y luego determinar el porcentaje que pasaacumulado por cada tamiz como se muestra en la siguiente tabla:

TamizPeso

Retenido(Gramos)

%retenido

%Retenido

acumulado

%que pasa

acumulado

3/8" 0 0 0 100

# 4 15 3 3 97

# 8 110 22 25 75

# 16 80 16 41 59

# 30 55 11 52 48

# 50 95 19 71 29

# 100 105 21 92 8

Bajo # 100 40 8 100 0

Total muestra 500 100

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GRANULOMETRÍA

Con el Porcentaje que pasa acumulado se hace un gráfico en escalasemi-logarítmica como la que se muestra en la siguiente figura:

Un buen hormigón debeconsiderar áridos con unagranulometría heterogénea,vale decir, que contengamaterial fino, intermedio ygrueso, de manera que losgranos de menor tamañorellenen los espacios quedejan los más grandes,consiguiendo una mezclasólida y con ahorro decemento, que es elcomponente más fino y máscaro.

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GRANULOMETRÍA

Para completar la caracterización de una granulometría yestablecer si es adecuada para su uso en mortero u hormigón sedeben calcular los siguientes indicadores:

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

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

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GRANULOMETRÍA

Graduación de un agregado: un agregado bien graduadocontiene partículas de todos los tamaños, de esta manera se lograla mayor compacidad. Para determinar si un agregado es biengraduado o mal graduado se deben calcular los siguientescoeficientes:Coeficiente de Uniformidad: se calcula como:

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

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

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GRANULOMETRÍA

Se estima que un agregado es bien graduado si se cumplensimultáneamente las siguientes condiciones:

Material Cu Cc

Arena ≥ 6Entre 1 y 3

Grava ≥ 4

Para garantizar que unmaterial tendrá uncomportamiento adecuado,la norma NCh 163 establececiertas bandasrecomendadas para lasgranulometrías de las gravas,arenas y árido combinado(mezclas de arena y grava).

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PRÓXIMA CLASE …

METALES