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Materiales de Construcción

Universidad Nacional de Colombia, Introducción a la ingeniería civil
by

Juan Ossa

on 22 April 2016

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Transcript of Materiales de Construcción


∣CONTENIDO
∣Campo de estudio
∣Ensayos de laboratorio
∣Fundamentos teóricos
∣Materiales naturales
∣Roca caliza de gran variedad de colores y brillo natural.

∣Plan de estudio
∣1. Mármol
∣Cerámicas y vidrios
∣Conglomerantes
Son materiales capaces de unir fragmentos de otras sustancias y dar cohesión al conjunto por transformaciones químicas en su masa (fraguado), produciendo nuevos compuestos. Los conglomerantes más utilizados son el yeso, la cal, y el cemento.


∣Materiales compuestos
Material de tipo cerámico o barro cocido, el cual previamente fue amasado con agua conformando así una pasta, que luego de ser moldeada, fue horneada a una temperatura que osciló entre los 900ºC y los 1000ºC.
Es una pieza con la que se forman cubiertas en los edificios, para recibir y canalizar el agua de lluvia, la nieve, o el granizo. Las formas pueden ser regulares o irregulares, planas o curvas, lisas o con acanaladuras y salientes, pueden ser cerámicas, hidráulicas, plásticas y bituminosas, de madera y de piedra.



Ladrillos
∣Tejas
∣Vidrios
Es un material inorgánico duro, frágil, transparente y amorfo que se encuentra en la naturaleza, aunque también puede ser producido por el ser humano. Los distintos tipos de vidrios empleados en la construcción tienen muchas aplicaciones y características diferentes de acuerdo al destino que tenga.

Son materiales típicamente duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad. Cambian de estado sólido a líquido a temperaturas relativamente altas,
por lo cual son indispensables para muchos diseños ingenieriles
.

Concreto
El concreto u hormigón es una mezcla de cemento, agua, arena y grava que se endurece o fragua espontáneamente en contacto con el aire o por transformación química interna hasta lograr consistencia pétrea.
∣Asfalto
El asfalto, también denominado betún, es un material viscoso, pegajoso y de color negro. Se utiliza mezclado con arena o gravilla para pavimentar caminos y como revestimiento impermeabilizante de muros y tejados. En las mezclas asfálticas es usado como aglomerante para la construcción de carreteras, autovías o autopistas.
∣Ensayos de laboratorio
∣Fundamentos teóricos
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
Pablo Simón Arbeláez
Juan David Buitrago Auzaque
Laura Vanesa García Cardona
Carlos Andrés Hincapié Ochoa
Juan Esteban Ossa Ossa

Es la rama de la ingeniería civil que estudia las propiedades físicas y mecánicas de los materiales empleados en la construcción de estructuras civiles. Esto implica el uso de distintas pruebas de laboratorio que permiten clasificar los materiales de modo que pueda optimizarse su utilización en las obras de ingeniería civil. A continuación se presenta el estudio de los materiales de construcción naturales, cerámicas y vidrios, conglomerantes, compuestos y metálicos.
Clasificación de materiales de construcción
-Materiales naturales
-Materiales compuestos
-Materiales metálicos
-Cerámicas y vidrios
-Conglomerantes
Concreto
Asfalto
Acero
Acero
-Ensayo de tracción
-Ensayo de compresión
-Ensayo de flexión
-Ensayo de torsión
Hormigón
-Ensayo de granulometría de un agregado
-Ensayo de desgaste
-Ensayo de relación agua cemento
-Ensayo de plasticidad
Roca con foliación plana, no apta para soportar fuerzas en una estructura

4. Pizarra
Recurso forestal duro, resistente y poroso, de fácil trabajabilidad.
Partículas de roca triturada, muy pequeñas y finas.

3. Arena
∣Materiales metálicos
Granulometría de un agregado
La granulometría es la medición y graduación de granos en una formación sedimentaria, en este caso de los agregados del hormigón.


Desgaste
El desgaste de los agregados se calcula mediante la Máquina de los Ángeles, que consiste en un tambor donde se colocan los agregados junto a unas esferas que por medio de la abrasión ponen a prueba su resistencia.

Relación agua/cemento
Influye fuertemente en la resistencia del hormigón y su trabajabilidad. Es la relación entre el peso del agua y del cemento.

Plasticidad
Se calcula mediante el cono de Abrams. En este se mide la consistencia del hormigón. A este ensayo se le llama prueba de asentamiento Slump.

Hormigón
Plan de estudios
1. Mármol
2. Grava
3. Arena
4. Pizarra
5. Madera


2. Grava
Conjunto de rocas de tamaño variable. (2 - 64 mm)
Acero
Ensayo de tracción
En el cálculo de estructuras e ingeniería se denomina tracción al esfuerzo interno a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo
Ensayo de compresión
La compresión ocurre cuando dos fuerzas actúan en la misma dirección y sentido contrario haciendo que el elemento se acorte y se deforme.
Ensayo de flexión
El esfuerzo de flexión puro o simple se obtiene cuando se aplican sobre un cuerpo pares de fuerza perpendiculares a su eje longitudinal, de modo que provoquen el giro de las secciones transversales con respecto a los inmediatos.
Ensayo de torsión
La torsión se refiere a un desplazamiento circular de una determinada sección transversal de un elemento se aplica sobre este un momento torsión o una fuerza que produce un momento torsión alrededor del eje.
Características y comportamiento del hormigón
Características mecánicas
La principal característica estructural del hormigón es resistir muy bien los esfuerzos de compresión. Sin embargo, tanto su resistencia a tracción como al esfuerzo cortante son relativamente bajas, por lo cual se debe utilizar en situaciones donde las solicitaciones por tracción o cortante sean muy bajas.





Para determinar la resistencia se preparan ensayos mecánicos (ensayos de rotura) sobre probetas de hormigón.
Características físicas del hormigón
Densidad:
en torno a 2350 kg/m³.

Resistencia a compresión:
de 150 a 500 kg/cm² (15 a 50 MPa) para el hormigón ordinario.

Resistencia a tracción:
proporcionalmente baja, del orden de un décimo de la resistencia a compresión.






Fraguado y endurecimiento


El proceso de fraguado y endurecimiento es el resultado de reacciones químicas de hidratación entre los componentes del cemento. La fase inicial de hidratación se llama fraguado y se caracteriza por el paso de la pasta del estado fluido al estado sólido.

Posteriormente continúan las reacciones de hidratación alcanzando a todos los constituyentes del cemento que provoquen el endurecimiento de la masa y que se caracterice por un progresivo desarrollo de resistencias mecánicas.
Tipos de hormigón
También se suele referir a él denominándolo simplemente hormigón. Es el material obtenido al mezclar cemento portland, agua y áridos.
Hormigón ordinario
Hormigón en masa
Es el hormigón que no contiene en su interior armaduras de acero. Este hormigón solo es apto para resistir esfuerzos de compresión.
Hormigón armado
Es el hormigón que en su interior tiene armaduras de acero, debidamente calculadas y situadas. Este hormigón es apto para resistir esfuerzos de compresión y tracción.
Hormigón pretensado
Es el hormigón que tiene en su interior una armadura de acero especial tensionadas a la tracción posteriormente al vertido del hormigón. Puede ser pre-tensado si la armadura se ha tensado antes de colocar el hormigón fresco.
Hormigón postensado
Es el hormigón que tiene en su interior una armadura de acero especial sometida a tracción. El tensado de la armadura es posterior al fraguado y endurecido del hormigón, anclando con posterioridad las armaduras al hormigón.
Hormigón autocompactante
Es el hormigón que como consecuencia de una dosificación estudiada y del empleo de aditivos superplastificantes específicos, se compacta por la acción de su propio peso, sin necesidad de energía de vibración.
Mortero
Es una mezcla de cemento, agua y arena (árido fino), es decir, un hormigón normal sin árido grueso
Hormigón ciclópeo
Es el hormigón que tiene embebidos en su interior grandes piedras de dimensión no inferior a 30 cm.
Hormigón sin finos
Es aquel que solo tiene árido grueso, es decir, no tiene arena (árido menor de 5 mm).
Hormigón aireado o celular
Se obtiene incorporando a la mezcla aire u otros gases derivados de reacciones químicas, resultando un hormigón baja densidad.
Hormigón de alta densidad
Fabricados con áridos de densidades superiores a los habituales (normalmente barita, magnetita, hematita, etc.) El hormigón pesado se utiliza para blindar estructuras y proteger frente a la radiación.
Aditivos para el concreto
Aditivo reductor de agua/plastificante
: Aditivo que, sin modificar la consistencia, permite reducir el contenido de agua de un determinado hormigón
Aditivo reductor de agua de alta actividad/aditivo superplastificante:
Aditivo que, sin modificar la consistencia del hormigón, o que sin modificar el contenido de agua, aumenta considerablemente el asiento

Aditivo reductor de agua:
Aditivo que reduce la perdida de agua, disminuyendo la exudación
Aditivo inclusor de aire:
Aditivo que permite incorporar durante el amasado una cantidad determinada de burbujas de aire, uniformemente repartidas, que permanecen después del endurecimiento.
Aditivo acelerador de fraguado:
Aditivo que reduce el tiempo de transición de la mezcla para pasar del estado plástico al rígido
Aditivo acelerador del endurecimiento:
Aditivo que aumenta la velocidad de desarrollo de resistencia iniciales del hormigón, con o sin modificación del tiempo de fraguado
Aditivo retardador de fraguado:
Aditivo que aumenta el tiempo del principio de transición de la mezcla para pasar del estado plástico al estado rígido
Aditivo hidrófugo de masa:
Aditivo que reduce la absorción capilar del hormigón endurecido.
Aditivo multifuncional:
Aditivo que afecta a diversas propiedades del hormigón fresco y/o endurecido actuando sobre más de una de las funciones principales definidas en los aditivos mencionados anteriormente.
Diseño de mezclas asfálticas
Las mezclas asfálticas están formadas por un material pétreo bien graduado y cemento asfáltico como ligante. Después que el material pétreo esté caliente y seco se mezclan sus componentes de acuerdo a una composición granulométrica aprobada, incorporándole a continuación el cemento asfáltico en una cantidad previamente definida.
Tipos de tejas
Tejas de alfarería
Tejas de cemento o mortero
Tejas de asfalto
Tejas de arcilla, o arcilla y concreto
Tejas de madera
Tejas de pizarra
Tejas de metal
Tejas de vidrio
Tejas fotovoltáicas
Tipos de vidrios
Vidrio templado
Vidrio impreso templado
Vidrio antirreflejante
Doble acristalamiento
Vidrio laminado
Vidrio serigrafiado
Vidrio cortafuego
Vidrio curvado
Vidrio termo-endurecido
Vidrio moldeado
Vitral
Conglomerantes según su forma de fraguado
Conglomerantes aéreos: son los que endurecen en contacto con el aire.
Arcilla
Yeso
Cales aéreas

Conglomerantes hidráulicos: son los que pueden endurecer en contacto con el aire y sumergidos en el agua.
Cemento
Cales hidráulicas

Conglomerantes según su composición
Primarios:
Yeso
Cal
Cemento
Secundarios:
Mortero
Hormigón
Materiales bituminosos:
Betún
Asfalto
Alquitrán

Curvas del ensayo
Diseño de mezclas de concreto
El proporcionamiento de mezclas de concreto, más comúnmente llamado diseño de mezclas es un proceso que consiste de pasos dependientes entre sí:
Selección de los ingredientes convenientes (cemento, agregados, agua y aditivos).
Determinación de sus cantidades relativas “proporcionamiento” para producir un concreto de trabajabilidad, lo más económico posible, con resistencia a compresión y con una durabilidad apropiada.

Manejabilidad
Depende principalmente de la cantidad y el tipo de agregados que se mezclan con el cemento y de la cantidad de cemento. Tener una buena manejabilidad es importante en una mezcla porque le permite una buena colocación y posteriormente un buen fraguado. Cuando se desea mejorar la manejabilidad, se debe de pensar en incrementar el mortero, no la cantidad de agua, pues esto sería contraproducente.
Resistencia y durabilidad
Los factores que comunmente afectan tanto la resistencia como la durabilidad son el congelamiento, el deshielo, los ataques químicos, los ataques por cloruros entre otros, para lo cual la solución está en tener una buena relación agua/cemento, además de una adecuada colocación y curación.
Dosificación de una mezcla de concreto
Esta dosificación se logra con el sistema de prueba y error o el sistema ajuste y reajuste. Consiste en desarrollar mezclas previamente calculadas por diferentes métodos y luego llevarlas a laboratorio a pruebas de resistencia de compresión, pérdida de manejabilidad, tiempos de fraguado y asentamiento.
La economía de las mezclas de concreto
Depende del valor de los materiales, los equipos y la mano de obra. La variación en el coste de los materiales, es debido a que el cemento es más caro que los agregados y para economizar se debe de llegar al punto de aportarle más agregados que cemento a la mezcla sin sacrificar su resistencia, además de que la mezcla debe de ser muy manejable para poder trabajarla, porque de no ser así, la mano de obra costará mucho más y los equipos deben ser de excelente calidad.
NO ESTRUCTURALES
ESTRUCTURALES
ESPECIALES
Ensayo de resistencia a compresión.
Es una mezcla de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,03 % y el 2,14 % en masa de su composición. Los dos componentes principales del acero se encuentran en abundancia en la naturaleza, lo que favorece su producción a gran escala.
Acero
Física
Química
Ya que se estudian las propiedades, resistencias, procesos y ensayos físicos de los materiales de construcción.
Ya que se estudia la composición, combinación de elementos químicos y propiedades químicas de los materiales
Cálculo
Por la necesidad de hacer cálculos en las composiciones de los materiales, y en el empleo de los ensayos de laboratorio
El proceso de diseño de las mezclas de concreto se basa fundamentalmente en tres aspectos, que deden de ser definidos claramente al diseñador para que este lleve a cabo el proceso y son:
La manejabilidad deseada en la mezcla.
El tiempo de fraguado.
La resistencia a compresión/flexión.
Clasificación de materiales de Construcción
-Materiales Naturales
-Materiales Compuestos
-Materiales Metalicos
-Cerámicas y Vidrios
-Conglomerantes
Concreto
Acero
5. Madera
Clasificación de materiales de Construcción
-Materiales Naturales
-Materiales Compuestos
-Materiales Metálicos
-Cerámicas y Vidrios
-Conglomerantes
Concreto
Acero
Clasificación de materiales de Construcción
-Materiales Naturales
-Materiales Compuestos
-Materiales Metalicos
-Cerámicas y Vidrios
-Conglomerantes
Concreto
Asfalto
Acero
Clasificación de materiales de Construcción
-Materiales Naturales
-Materiales Compuestos
-Materiales Metalicos
-Cerámicas y Vidrios
-Conglomerantes
Concreto
Asfalto
Acero
Clasificación de materiales de Construcción
-Materiales Naturales
-Materiales Compuestos
-Materiales Metalicos
-Cerámicas y Vidrios
-Conglomerantes
Concreto
Asfalto
Acero
Clasificación de materiales de Construcción
-Materiales Naturales
-Materiales Compuestos
-Materiales Metalicos
-Cerámicas y Vidrios
-Conglomerantes
Concreto
Asfalto
Acero
Clasificación de materiales de Construcción
-Materiales Naturales
-Materiales Compuestos
-Materiales Metalicos
-Cerámicas y Vidrios
-Conglomerantes
Concreto
Asfalto
Acero
Clasificación de materiales de Construcción
-Materiales Naturales
-Materiales Compuestos
-Materiales Metalicos
-Cerámicas y Vidrios
-Conglomerantes
Concreto
Asfalto
Acero
Clasificación de materiales de Construcción
-Materiales Naturales
-Materiales Compuestos
-Materiales Metalicos
-Cerámicas y Vidrios
-Conglomerantes
Concreto
Asfalto
Acero
Clasificación de materiales de Construcción
-Materiales Naturales
-Materiales Compuestos
-Materiales Metalicos
-Cerámicas y Vidrios
-Conglomerantes
Concreto
Asfalto
Acero
Clasificación de materiales de Construcción
-Materiales Naturales
-Materiales Compuestos
-Materiales Metalicos
-Cerámicas y Vidrios
-Conglomerantes
Concreto
Asfalto
Acero
Clasificación de materiales de Construcción
-Materiales Naturales
-Materiales Compuestos
-Materiales Metalicos
-Cerámicas y Vidrios
-Conglomerantes
Concreto
Asfalto
Acero
Clasificación de materiales de Construcción
-Materiales Naturales
-Materiales Compuestos
-Materiales Metalicos
-Cerámicas y Vidrios
-Conglomerantes
Concreto
Asfalto
Acero
Clasificación de materiales de Construcción
-Materiales Naturales
-Materiales Compuestos
-Materiales Metalicos
-Cerámicas y Vidrios
-Conglomerantes
Concreto
Asfalto
Acero
Asfalto
Un pavimento de concreto asfáltico debe cumplir los siguientes objetivos principales:
Suficiente estabilidad en la mezcla como para satisfacer las exigencias del servicio.
Suficiente asfalto para asegurar la obtención de un pavimento durable.
Suficiente trabajabilidad como para permitir una eficiente operación constructiva en la elaboración de la mezcla y su compactación.
Factores que deben controlarse en las mezclas asfálticas
Para que un pavimento asfáltico sea estable, duradero e impermeable se deben de controlar:
La granulometría del material pétreo: a mayor tamaño mayor estabilidad.
El contenido de asfalto: cubrir las partículas pétreas sin rellenar completamente los vacíos.
La consistencia y calidad del cemento asfáltico: buena elección del cemento y para esto son muy importantes las condiciones climáticas del lugar
Efecto del asfalto en la estabilidad
Dependiendo de su cantidad en la mezcla, el asfalto puede actuar como un ligante o como un lubricante. Por lo tanto, la estabilidad de una mezcla aumenta con un incremento en el porcentaje de asfalto hasta alcanzar un máximo, después del cual disminuye. El efecto del porcentaje de asfalto varía con el tipo de agregado y en algunos casos es mucho más crítico que en otros.
Aditivos del asfalto
Deben caracterizarsen por
Fácil aplicación
Mantener sus propiedades químicas y físicas durante su almacenamiento, aplicación y servicio
Resistencia a las altas temperaturas
Tener un costo favorable
ser procesados por maquinaria convencional
Aditivación con azufre
El asfalto al ser mezclado con el azufre, se convierte en una mezcla muy trabajable que puede ser extendida por maquinaria sin rodillo de compactación, y cuando se enfría es muy resistente a la deformación.
Adición de polímeros termoplásticos
Los polímeros termoplásticos se caracterizan por su ablanda con el calentamiento y se endurecen con el enfriamiento
Clasificación de materiales de Construcción
-Materiales Naturales
-Materiales Compuestos
-Materiales Metalicos
-Cerámicas y Vidrios
-Conglomerantes
Concreto
Asfalto
Acero
Clasificación de materiales de Construcción
-Materiales Naturales
-Materiales Compuestos
-Materiales Metalicos
-Cerámicas y Vidrios
-Conglomerantes
Concreto
Asfalto
Acero
Impurezas del Acero
Se denomina impurezas a todos los elementos indeseables. Se procura eliminarlas o reducir su contenido. En casos en los que resulte imposible o sea demasiado costoso, se admite su presencia en cantidades mínimas.


Elemetos aleantes del Acero
Aluminio
Cromo
Plomo
Titanio
Wolframio
Composición de un pavimento asfaltico
Agregados y llenante mineral en disposición para el pavimento
Cemento asfáltico que cubrirá y ligará a los agregados el llenante mineral (cal. cemento, o cenizas)
Proceso de pavimentación asfáltica
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