Libro de Tecnologia de Materiales

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TECNOLOGÍA DE MATERIALES

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

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b. Materiales artificiales: Se obtienen a partir de otros materiales que se encuentran en la naturaleza y no han sufrido transformación previa. También reciben este nombre los productos fabricados con varios materiales que sean en su mayoría de origen natural. Son artificiales el hormigón y los bloques de hormigón, que son productos artificiales, fabricados a partir de arena (en un 50%; material natural), grava (en un 30%; material natural), cemento (en un 20%; material artificial) y agua (material natural). c. Materiales sintéticos: Están fabricados por el hombre a partir de materiales artificiales. No se encuentran en la naturaleza ni tampoco los materiales que los componen. El ejemplo más característico lo constituyen los plásticos, como la baquelita, que se obtiene a partir de dos materiales artificiales: formol y fenol. Durante los últimos cien años se han descubierto multitud de materiales, así como nuevos métodos de fabricación (p.e. la vulcanización). 1.2.2. Según estructura interna Los materiales se clasifican generalmente en cinco grupos: metales, cerámicos, polímeros, semiconductores y materiales compuestos. Los materiales de cada uno de estos grupos poseen estructuras y propiedades distintas. a. Metales: Tienen como característica una buena conductividad eléctrica y térmica, alta resistencia, rigidez, ductilidad. Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Las aleaciones (combinaciones de metales) conceden alguna propiedad particularmente deseable en mayor proporción o permiten una mejor combinación de propiedades. b. Cerámicos: Tienen baja conductividad eléctrica y térmica y son usados a menudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas de procesos consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de este grupo de materiales se encuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos. c. Polímeros: Son grandes estructuras moleculares creadas a partir de moléculas orgánicas. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia y debe evitarse su uso a temperaturas elevadas. Los polímeros termoplásticos, en los que las cadenas moleculares no están conectadas de manera rígida, tienen buena ductibilidad y conformabilidad; en cambio, los polímeros termoestables son más resistentes, a pesar de que sus cadenas moleculares fuertemente enlazadas los hacen más frágiles. Tienen múltiples aplicaciones, entre ellas en dispositivos electrónicos. d. Semiconductores: Su conductividad eléctrica puede controlarse para su uso en dispositivos electrónicos. Son muy frágiles. e. Materiales compuestos: Como su nombre lo indica, están formados a partir de dos o más materiales de distinto grupos, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de forma individual. 2

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1.3.

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PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

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

FÍSICAS

TÉRMICAS

ACÚTICAS

Formas y dimensiones

Peso específico

Calor específico

Dilatación

Densidad

Porosidad

Transmisión de calor

Reflexión de calor

Permeabilidad

Capilaridad

Transmisión y Reflexión del sonido

Higroscopía

OPTICAS

Color

Transmisión de la luz

QUÍMICAS

Reflexión de la luz

MECÁNICAS

Composición química

Resistencia

Tenacidad

Estabilidad química

Elasticidad

Plasticidad

Maleabilidad

Ductibilidad

Fluencia

Rigidez

Dureza

Isotropía

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

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

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

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

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

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

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

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

Tabla Nº 1.2 Densidad y porosidad de rocas de edificación

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

La porosidad del material

-

La densidad del fluido considerado, afectada por su temperatura

-

La presión a que está sometido el fluido.

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

(

)

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

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

f.

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

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

 Sulfato de cobre (CuSO4)

 Cloruro de Sodio (Halita)(NaCl)

 Pentóxido de fósforo (P4O10)

 Hidróxido de Sodio (NaOH)

 Silica gel

 Ácido sulfúrico (H2SO4)

 Miel

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

1.3.2.

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

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

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

14.212 1.000 1.920 836 4.180 1.881 2.420

hielo aluminio hierro cobre cinc estaño plomo

2.090 878 460 375 376 210

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

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

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

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

Material Hormigón Acero Hierro Plata Oro Invar Plomo Zinc

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

Material Aluminio Latón Cobre Vidrio Cuarzo Hielo Diamante Grafito

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

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

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1.3.3.

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

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1.3.4.

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

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

OPACO: Impide el paso a la luz



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



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

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

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

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

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

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

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

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

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

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f.

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

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

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

i.

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

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Cuadro Nº1.5. Dureza de algunos materiales

j.

Dureza

Mineral

Composición química

1

Talco, (se puede rayar fácilmente con la uña)

Mg3Si4O10(OH)2

2

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

CaSO4·2H2O

3

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

CaCO3

4

Fluorita, (se puede rayar con un cuchillo)

CaF2

5

Apatita, (se puede rayar difícilmente con un cuchillo)

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

6

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

KAlSi3O8

7

Cuarzo, (raya el acero)

SiO2

8

Topacio,

Al2SiO4(OH-,F-)2

9

Corindón, (sólo se raya mediante diamante)

Al2O3

10

Diamante, (el mineral natural más duro)

C

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

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

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

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

-Métodos de ensayo. -Muestreo.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ha es de al

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

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

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=0

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

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

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

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

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

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TECNOLOGÍA DE MATERIALES

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

𝑄

A

𝐿 𝑘 𝐴

T1 Q

Q

T2

𝑇

𝑄

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

𝑇 𝑅

𝑅

𝑘

𝑇

𝐿

𝑘 𝐴

𝐿 Pared Plana en Serie:

A T1

T2

T3

Q 𝑘

𝐿

T4

𝑘

𝑘3

𝐿

𝐿3

𝑇

𝑄

𝑘

Q

𝑇 𝐿

𝑇3

𝐴

𝑘

𝐿1

𝑅 𝑅

𝑘1 𝐴

𝑇4

𝐴

𝑇4

𝑄 𝑅

𝑇 𝐿

𝑘

𝐿3

𝑇3 𝐴

𝑇 𝑅

𝑅3

𝐿2

𝑅3

𝑘2 𝐴

𝐿3 𝑘3 𝐴

Pared Plana en Paralelo:

T1

Muro (1)

𝑘

𝑇

𝑄

Muro (2)

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𝑅

𝐿1 𝑘1 𝐴 1

𝐿

𝐴

𝑇 𝑇 𝑅 𝑅 𝑅 𝑅

A2

𝑄

𝑇

𝑘 𝑄

𝐿

31

𝑄

𝑄

𝑘

QT

𝑄𝑇

T2 A1

𝑅

𝐿2 𝑘2 𝐴2

𝑇 𝑘

𝑇 𝐿

𝐴

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Pared plana compuesta

𝑄

𝐿3 𝑘 𝑘4

𝑘

T1

𝑅 𝐿2

𝑅

𝑘1 𝐴 1

𝑅4 𝐿3

𝑅3

𝑘2 𝐴 2

𝐿4

𝑅4

𝑘3 𝐴 3

𝑘4 𝐴 4

T2

𝑘3

𝐿

𝐿1

𝑅

𝑇 𝑇 𝑅 𝑅3 𝑅 𝑅3

𝐿

𝐿4

CONVECCIÓN - CONDUCCIÓN – CONVECCIÓN (coordenadas planas)

Pared Plana:

A

𝑇∞

T2 𝑇∞Q

k

𝑇∞

𝑄

𝐿 𝑘 𝐴

𝐴

Q

T3

𝑄

𝑇∞

𝑅

𝑘

𝑇 𝑅 𝑅

ℎ1 𝐴

𝑇∞ 𝐴

𝑇 𝑅

𝑅3

𝐿

𝑅3

𝑘 𝐴

ℎ1 𝐴

𝐿

𝑘

Pared Plana en Serie:

𝐿

𝑇∞

𝑄

A T1

T2

T3

Q

T4

𝑇

𝑇∞

𝐿

𝑘 32

𝐿

𝑘

𝐿

𝑘

Q

𝑘3

𝐿3

𝑘

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𝐿

𝐿

𝑘

𝐴 𝑄

𝑇∞

𝑘

𝑇

𝑅

ℎ1 𝐴

𝑅

𝐿

𝑅 𝐿1

𝑘1 𝐴

𝑇

𝑇3

𝐴

𝑘

𝐿

𝑇

𝑇4

𝐴

𝑘

𝑇∞ 𝑇∞ 𝑅 𝑅3 𝑅4 𝑅3

𝐿2 𝑘2 𝐴

𝑅4

𝐿3

𝑇3

𝑇∞

𝐴

𝑇4 𝐴

𝑅5 𝐿3 𝑘3 𝐴

𝑅5

ℎ2 𝐴

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Pared Plana en paralelo: 𝑇∞

QT

𝑇∞ 𝑇∞ 𝑅 𝑅3 𝑅 𝑅 𝑅3 𝑅4

𝑄 Muro (1)

T1

𝑄

𝑘

Muro (2)

𝑘

A1

𝑄

𝑅

T2

𝑅

ℎ1 𝐴

𝑇∞

𝐿1

𝐿2

𝑅3

𝑘1 𝐴 1

𝑅4

𝑘2 𝐴 2

ℎ2 𝐴

A2

𝐿

Pared plana compuesta

𝑄

𝐿3

𝑇∞

𝑘

𝑅

𝑘4

𝑘

𝑇∞

𝑘3

𝐿

𝐿

𝑅5

ℎ1 𝐴 𝐿3

𝑘3 𝐴4

𝑅 𝑅

𝑅6

𝑇∞ 𝑇∞ 𝑅3 𝑅4 𝑅 𝑅5 𝑅3 𝑅4 𝐿1

𝐿2

𝑅3

𝑘1 𝐴 1

𝑘2 𝐴 2

ℎ2 𝐴

𝐿4 CONDUCCIÓN (coordenadas cilíndricas)

𝑄

𝑄

𝑅

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𝑇

𝑇 𝑟 𝐿𝑛 𝑟 𝜋𝐿𝑘 𝑇

𝑇 𝑅 𝑟 𝑟 𝜋𝐿𝑘

𝐿𝑛

𝑅6 𝑅4

𝐿3 𝑘3 𝐴 3

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CONVECCIÓN – CONDUCCIÓN – CONVECCIÓN (coordenadas cilíndricas)

𝑇∞

𝑇∞

𝑇∞ 𝑟 𝐿𝑛 𝑟 𝜋𝐿𝑘

𝑄 𝜋𝑟 𝐿

𝑇

𝑄

𝑇∞ 𝑅

𝑅

𝑇 𝑅

𝑅3

𝑟 𝐿𝑛 2 𝑟1

𝑅

𝜋 𝑟1 𝐿 ℎ1

𝜋𝑟 𝐿

𝑅3

𝜋𝐿𝑘

𝜋 𝑟2 𝐿 ℎ2

CAPAS MÚLTIPLES (coordenadas cilíndricas)

𝑄 𝜋 𝑟 𝐿

𝑄

𝑅 𝑅4

𝜋 𝑟1 𝐿 ℎ1 𝐿𝑛

𝑟4 𝑟3

𝜋 𝐿 𝑘3

𝑇∞

𝑇∞ 𝑟3 𝐿𝑛 𝑟 𝜋 𝐿𝑘

𝑟 𝐿𝑛 𝑟 𝜋 𝐿𝑘

𝑅 𝑅5

𝑇 𝑅

𝑅

𝐿𝑛

𝑟2 𝑟1

𝜋 𝐿 𝑘1

𝑟4 𝑟3 𝜋 𝐿 𝑘3

𝐿𝑛

𝑇 𝑅3

𝑅4 𝑅3=

𝑅5

𝐿𝑛

𝑟3 𝑟2

𝜋 𝐿 𝑘2

𝜋 𝑟4 𝐿 ℎ2

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

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𝜋 𝑟4 𝐿

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Material

Densidad (kg/m3)

Conductividad térmica(W/(m.K))

Material

Densidad (kg/m3)

Conductividad térmica(W/(m.K))

Acero Agua Aire Alpaca Aluminio

7850 1000 1,2 8,72 2700

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

224 2750 7870 2200 1600-1800

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

Amianto

383-400

0,078-0,113

200

0,047

Arcilla refractaria Arena húmeda Arena seca

2000

0,46

3000

2,32

1640 1400

1,13 0,33-0,58

1800 3600

0,8 2,44

Asfalto

2120

0,74-0,76

2000

2,68

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

1750

0,81

1700

0,658

1270 1000

0,233 0,198

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

1900 100-200

1,070 0,036-0,040

730

0,37

Latón

8550

81-116

8000 1370

116-186 0,238

Linóleo Litio

535 530

0,081 301,2

-

0,14-0,35 1,047

840 650

0,13 0,142

7140

106-140

650

0,116

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

8900 120

372-385 0,036

750 650

0,349 0,152

120

0,042

750

0,349

40

0,029

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

800

0,143

100

0,047

700

0,143

7400 220

64 0,035

650 550

0,163 0,116

Fundición Glicerina Goma dura

7500 1270 1150

55,8 0,29 0,163

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

850 2400 2900 1900

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

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Material

Densidad (kg/m3)

Conductividad térmica(W/(m.K))

Material

Densidad (kg/m3)

Conductividad térmica(W/(m.K))

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

2100

1,4

Plomo

11340

35

300-650

0,14-0,26

Poliestireno

1050

0,157

1000

0,76

Porcelana

2350

0,81

1800-2000

1,16

Serrín

215

0,071

8800

52,3

466

0,126

Oro Pizarra

19330 2650

308,2 0,42

1650 100

0,76 0,07

Placas de yeso

600-1200

0,29-0,58

150

0,08

Plata Plexiglás

10500 1180

418 0,195

Tierra de diatomeas Tejas cerámicas Vermiculita expandida Vermiculita suelta Vidrio Yeso

2700 1800

0,81 0,81

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

ℎ

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

ℎ

para reducir el flujo en un factor de 5?

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

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

Densidad (kg/ m3)

15

espesor (mm) 20 90 50 15 240

K (W/(m.ºC) 0.30 0.49 0.039 1.40 0.76

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

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

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

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

Espuma

Mezcla

1.5 cm

Ladrillo 30 cm

1.5 cm

18 cm

2cm 2cm

2cm

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

𝑡

,1 4

3⁄

LABORATORIO DE GRANULOMETRÍA: Los procedimientos se detallan continuación:

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

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

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

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

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Curva Granulométrica

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

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Donde: S

: Peso específico de masa

W

: densidad del agua

PUC

: Peso Unitario Compactado seco de agregado

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

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

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

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

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

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

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

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Ejemplo:

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

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

Dónde: Pem Wo V Va

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

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

a.3. Peso específico aparente (Pea)

a.4. Absorción (Ab)

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

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Peso específico y Peso específico de masa (Pem):

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

Peso específico de masa saturado con superficie seca (PeSSS)

Peso específico aparente (Pea)

Absorción (Ab)

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

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

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

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  

  

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

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

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

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

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

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

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

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

CO2 + CaO

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

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

Aragonito, Calcita, Caliza, Creta,

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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a. MATERIAS PRIMAS:     

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

b. PROCESO:  Extracción de la cantera: trituración, criba.  Molino Crudo: Precalentamiento.  Horno de Clinker: enfriamiento.  Molino cemento: adiciones.  Expedición. Para los cementos con aire incluido el material necesario para impartir las propiedades del aire incluido se añade se añade durante la molienda del clinker. c. FASES:  Desecación (precalentamiento)