INTRODUCCION
Está investigación tiene por el
propósito de presentar de forma clara, sencilla y fácil interpretación de algunos
cuantos materiales que son pilares fundamentales y utilizados en la carrera de
Ingeniería Civil, al ver su composición, su debido manejo y claro su relación
con la materia, siendo el caso de Química.
El objetivo central es dar una
explicación detallada, simple y entendible de tal manera que se entienda de que
están compuestos solo algunos elementos que se llega a utilizar en la vida
laboral de un Ingeniero Civil.
Los compuestos que de investigado son
6, los cuales son:
å Acero
å Cal
å Yeso
å Asfalto
å Cemento
å Polímero
Sabiendo los materiales, tenemos que
saber su consistencia, de qué están hechos, en que los podemos ocupar en la
vida diaria, su relación con química y sobre todo en la Ingeniería Civil.
Conociendo los materiales, y la rama en que lo aplicaremos
como futuros ingenieros civiles, espero que sea muy factible su entendimiento y
sobre todo muy fructífero.
Gracias.
GLOSARIO DE TERMINOS
Clinker: Caliza cocida. Esa es
la definición más exacta de lo que se conoce como Clinker, la principal materia
prima de la que se obtiene el cemento.
Cemento Portland:
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.
Mortero: una mezcla de conglomerantes
inorgánicos, áridos y agua, y posibles aditivos que sirven para pegar elementos
de construcción tales como ladrillos, piedras, bloques de hormigón, etc. Además, se usa para rellenar los espacios que quedan entre los
bloques y para el relleno de paredes.
Estequiometria: La estequiometria
la podemos definir como el procedimiento por medio del cual se determinan
cantidades de reactivos y productos que intervienen en una reacción química.
Nixtamalización: La nixtamalización es
el proceso milenario de origen mesoamericano que sirve para quitar la cáscara
al maíz, hirviéndolo en agua con cal. Una vez
hervido y sin cáscara (llamada hollejo), se puede preparar la harina de maíz. La palabra proviene de nixtamal,
a su vez del náhuatl nextli("cenizas de cal") y tamalli (masa de maíz cocido).
Reactividad: la reactividad de una o más sustancias o de algún tipo de especie química en especial, es la capacidad de reacción química que presenta ante algunos reactivos o sustancias al momento de interactuar entre sí.
Acústicos: La acústica es una rama de la física
interdisciplinaria que estudia el sonido, infrasonido y ultrasonido, es decir ondas mecánicas que se propagan a través de la materia (tanto sólida como líquida o gaseosa) (no pueden propagarse en el vacío) por medio de
modelos físicos y matemáticos. A efectos prácticos, la acústica estudia la producción, transmisión,
almacenamiento, percepción o reproducción del sonido. La ingeniería acústica es la rama de la ingeniería que trata de las aplicaciones tecnológicas
de la acústica.
Miselar: Se denomina micelar al conglomerado de moléculas que constituye una de las fases de
los coloides. Es el mecanismo por el cual el
jabón solubiliza las moléculas insolubles en agua, como las grasas.
Neolítico: El Neolítico o “edad de la
piedra nueva” abarco
del año 9000 al 3500 a. de n. e., aproximadamente. Los rasgos principales de
esta etapa fueron la utilización de piedras. pulidas
y el desarrollo posterior de la metalurgia. Las sociedades
neolíticas mas evolucionadas habitaron en el noreste africano, Asia Menor y el
centro y occidente europeos.
CEMENTO
El cemento se hizo a
partir de una mezcla de calcio, sílice, aluminio y hierro. Un horno de alta
temperatura se calienta la materia prima, su transformación química y
físicamente en Clinker.
Este material
guijarro-como el gris comprende los compuestos especiales que dan consolidar
sus propiedades de unión. Clinker se mezcla con yeso y tierra a un polvo fino
para hacer cemento (para más información, ver la fabricación de cemento).
El cemento es el
"pegamento" que une los agregados juntos para formar el concreto, uno
de los materiales de construcción clave disponibles en la actualidad.
La proporción estequiometria es 73,7 % CaO y 26,3 % SiO2. Pero este compuesto es estable únicamente por debajo de 700 ºC o entre 1250 º C y 1900 ºC [Fig. 1]. Por debajo de 1250 ºC, el estado puro se descompone lentamente en silicato bicálcico + óxido de calcio. Esta tensión positiva de disociación es aumentada por la presencia de silicato bicálcico formado.
Por sobre 1250 ºC la formación de silicato tricálcico se cumple sólo muy lentamente.
La alúmina (Al2O3) y el óxido férrico (Fe2O3) que se combinan con el óxido de calcio (CaO) para formar aluminato de calcio con punto de fusión 1455 ºC y ferroaluminato de calcio con punto de fusión 1338º C, conforman el medio líquido apto para acelerar la reacción buscada entre el dióxido de silicio y el óxido de calcio.
Cal
“Cal” es un término que normalmente podríamos escuchar en temas de
construcción pues se usa como material para algunas obras y aplicaciones. Sin
embargo el uso de esta es la “caliza pulverizada”,
una piedra formada de carbonato de calcio o carbonato de calcio y magnesio que
posee propiedades completamente distintas a la Cal, es un oxido o hidróxido de
calcio o magnesio manufacturado en hornos a temperaturas aproximadas a los
1,000°C, el producto resultante: la “cal viva”, es
usada para el Mortero, transformándolo en una especie de masilla mezclándolo
con agua convirtiéndola en “cal hidratada”.
Las prácticas de
mampostería actuales exigen que la Cal usada (“caliza pulverizada”) debe
cumplir con una buena retención de agua (según la norma ASTM C 207) esto es
vital para evitar futuras infiltraciones en las paredes o estructuras de la
mampostería, así como hacer que la mezcla cuente con la debida viscosidad,
permitiendo el fácil manejo y trabajabilidad para que los albañiles puedan
hacer uso eficaz con la cuchara, adhiriéndolo sobre las superficies y teniendo
más eficacia en su trabajo.
Es por esto que la “Cal hidratada” es una de las mejores opciones para
las construcciones ya que mejora la plasticidad del mortero, la retención del
agua, la capacidad de contenido de arena, la adherencia y la flexibilidad,
ayudando además a evitar la eflorescencia curando automáticamente las fisuras
pequeñas.
En la estabilización de suelos, modifica las propiedades del suelo de
manera permanente reduciendo el índice de plasticidad, incrementando VRS y la
resistencia a la compresión.
La cal es un elemento cáustico, muy blanco en estado puro, que
proviene de la calcinación de la piedra caliza. La cal común es el óxido de
calcio de fórmula CaO, también conocido como cal viva. Es un material muy
utilizado en construcción y en otras actividades humanas. Como producto
comercial, normalmente contiene también óxido de magnesio, óxido de silicio y
pequeñas cantidades de óxidos de aluminio y hierro.
La cal se puede obtener normalmente por descomposición térmica de
materiales como la piedra caliza, que contiene carbonato de calcio (CaCO3),
material extraído de depósitos sedimentarios llamados caliches. Se somete a
temperaturas muy altas, que oscilan entre 900 y 1200 ºC, por un período de 3
días, en un horno rotatorio o en un horno especial llamado kiln de cal. El
proceso, llamado calcinación, libera una molécula de dióxido de carbono (CO2),
resultando el material llamado óxido de calcio (CaO), de color blanco y muy
cáustico (quema los tejidos orgánicos). Sin embargo, el proceso puede ser
reversible, ya que al enfriarse la cal, comienza a absorber nuevamente el CO2
del aire, y después de un tiempo, vuelve a convertirse en CaCO3 o carbonato de
calcio.
La cal viva puede ser combinada con agua, produciéndose una
reacción violenta que desprende mucho calor. Se forma entonces el hidróxido de
calcio que se comercializa en forma de polvo blanco conocido como cal muerta o
apagada.
Desde la antigüedad, el uso más frecuente de la cal es como
aglomerante en la construcción. Al mezclar cal con agua y arena, se produce una
especie de mortero que se utiliza para pegar ladrillos, piedras y también para
aplanar paredes y techos. Este uso se debe principalmente a que la cal puede
adquirir mucha dureza al secarse y puede ser un material muy resistente. Eso se
produce debido a que la cal apagada absorbe el dióxido de carbono que había
perdido y se convierte lentamente en carbonato de calcio al secarse. Debido a
esa misma característica, la cal también se utiliza para crear pinturas murales
con la técnica del fresco. Al endurecerse la cal, por convertirse en carbonato
de calcio, facilita la fijación de los colores del fresco. En muchos lugares,
también se usa para recubrir fachadas debido a su impermeabilidad.
Otros usos de la cal incluyen la neutralización de los suelos
ácidos en agricultura, la fabricación de vidrio y papel, el lavado de ropa
blanca, el refinado de azúcar, el ablandamiento del agua, incluso en
alimentación, para hacer sémola de maíz y tortillas en un proceso llamado
nixtamalización.
Yeso
El yeso se originó hace 200 millones de años como
resultado de depósitos marinos, cuando parte de lo que ahora son nuestros
continentes eran inmensas extensiones oceánicas; durante este periodo, algunos
mares se secaron dejando lechos de yeso que se recubrieron para ser
descubiertos posteriormente por el hombre.
El yeso tiene distintos modos de formarse: por
precipitación directa, por floculación, por cristalización en filones o por el
paso de la anhidrita (CASO4.0.5H2O) a yeso (CASO4.2H2O) con ganancia de agua.
Formado en ambiente evaporítico, por precipitación
directa de soluciones en conexión con rocas calcáreas y arcillas en depósitos
evaporíticos asociados a antiguos mares o lagos salados.
Por hidratación directa de la anhidrita: también se
puede formar en filones de yeso cuando en áreas volcánicas, cuando por acción fumarolita
de aguas sulfurosas; los vapores de ácido sulfúrico reaccionan con las capas de
caliza de las rocas encajantes.
Por la acción del ácido sulfúrico procedente de las
piritas al actuar sobre la calcita de margas y arcillas calcáreas.
Desde épocas memoriales el yeso ha convivido con la
humanidad y constituye uno de los más antiguos materiales de construcción.
Durante el período neolítico se usó para realizar cimientos y muros. Los
asirios empleaban un yeso conocido como alabastro. Hace 6000 años los egipcios
preparaban argamasa a partir del yeso y 1500 años después utilizaron estuco de
yeso en el revestimiento interior de las pirámides. La civilización griega lo
denominó gypsos (yeso) y la romana generalizó su uso en Europa.
Posteriormente, los españoles lo introdujeron en América Latina.
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El yeso puro es un mineral blanco, pero debido a
impurezas puede tornarse gris, castaño o rosado. Se denomina sulfato de
calcio deshidratado y su estructura cristalina está constituida por dos
moléculas de agua y por una de sulfato de calcio.
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Se obtiene directamente de la naturaleza por extracción en forma de
roca de yeso (mineral de sulfato de calcio dihidratado) en canteras o minas y
se procesa industrialmente con poca alteración. Este proceso consiste en la
calcinación térmica del mineral triturado, eliminando total o parcialmente el
agua de cristalización químicamente combinada. Al mezclarse con agua forma
una pasta que fragua y endurece, reconstituyendo su estado original.
ASFALTO
El asfalto es considerado un sistema coloidal complejo de
hidrocarburos. El modelo adoptado para configurar la estructura del
asfalto se denomina modelo micelar , el cual provee de una razonable
explicación de dicha estructura , en el cual existen dos fases; una discontinua
(aromática) formada por dos asfáltenos y una continua que rodea y solubiliza a
los asfáltenos, denominada máltenos.
Las resinas contenidas en los máltenos son intermediarias en el asfalto,
cumpliendo la misión de homogeneizar y
compatibilizar a los de otra manera insoluble asfáltenos. Los máltenos y
asfáltenos existen como islas flotando en el tercer componente del asfalto, los aceites.
El asfalto
es soluble en una gran cantidad de hidrocarbonos. Se toma ventaja de esto para
producir los asfaltos líquidos rebajados. Desafortunadamente esta solubilidad
permanece cuando el asfalto ya esta en uso en el pavimento; sin embargo, en
carreteras no causa mucho problema porque la gasolina es muy volátil que no
tiene tiempo para disolver el asfalto del pavimento. Los derrames de
combustible de avión si pueden producir daños a las aeropistas porque son
combustible de tipo keroseno. Entonces en estacionamientos si se pueden esperar
por derrames de combustibles.
Para
minimizar este problema en lugares que pueden estar sometidos a derrames
perjudiciales se pueden utilizar concretos asfálticos modificados con polímeros
o alquitrán o concreto hidráulico.
El asfalto
es un material relativamente inerte con respecto a una cantidad considerable de
sustancias químicas, por eso se utilizan mucho en recubrimientos protectores.
Una de las características del asfalto es su reactividad con el oxígeno. Esta
reactividad se puede dar de tres maneras:
å El oxígeno del aire reacciona con
el hidrógeno de los hidrocarbonos del asfalto formando moléculas de agua que se
pierden a la atmósfera por evaporación. Esto es lo que ocurre en el proceso de soplado
con aire para fabricar asfaltos para techado y también se da durante el
mezclado de asfalto con agregados.
å El oxígeno del aire reacciona con
los hidrocarbonos formando óxidos en la superficie del asfalto que produce una
película o una costra impermeable que evita que más asfalto se siga oxidando.
Sólo cuando esfuerzos mecánicos produzcan agrietamientos en esa costra se
vuelve a oxidar más asfalto, pero de nuevo se forma la costra impermeable.
El oxígeno del aire reacciona con
los hidrocarbonos del asfalto formando óxidos, muchos de los cuales son
solubles en agua, por lo que el agua los arrastra exponiendo continuamente más
asfalto a seguirse oxidando. La forma de mitigar este problema es aplicando
periódicamente sellos ya sea de agregados o de algún otro material.
å Los asfaltos resisten los ataques
del ácido sulfúrico diluido y del ácido clorhídrico en todas sus
concentraciones. Sin embargo es atacado por el ácido sulfúrico concentrado y
por el ácido nítrico. Generalmente el asfalto no es atacado por los álcalis,
sin embargo, algunas soluciones alcalinas diluidas reaccionan con ciertos
constituyentes del asfalto formando agentes emulsificadores que pueden ser
dañinos.
El asfalto
es un material relativamente inerte con respecto a una cantidad considerable de
sustancias químicas, por eso se utilizan mucho en recubrimientos protectores.
Una de las características del asfalto es su reactividad con el oxígeno. Esta
reactividad se puede dar de tres maneras:
å El oxígeno del aire reacciona con
el hidrógeno de los hidrocarbonos del asfalto formando moléculas de agua que se
pierden a la atmósfera por evaporación. Esto es lo que ocurre en el proceso de soplado
con aire para fabricar asfaltos para techado y también se da durante el
mezclado de asfalto con agregados.
POLIMEROS
La evolución de este sector ha sido lenta hasta
la mitad del siglo pasado, pero a raíz de la “revolución del plástico” la
sociedad y este sector sufrieron un cambio excepcional con la entrada de los
polímeros sintéticos. Gracias a que los arquitectos, ingenieros y especialistas
del sector empezaron a adquirir conocimientos de las ventajas que pueden
brindan estos polímeros, hoy en día nos podemos beneficiar de múltiples y
diferentes aplicaciones en la construcción y equipamiento de una vivienda y
resto de obras públicas. Además otro objetivo de estos profesionales es la de
conseguir un equilibrio entre las necesidades de construcción de la población y
la protección del medio ambiente, así como de la salud de sus habitantes.
Estos polímeros resultaron ser materiales idóneos
para satisfacer todas estas necesidades debido a sus
características particulares. En general serían las siguientes:
Durables y resistentes a la corrosión, por ello se
aplican en elementos que están expuestos al aire libre pudiendo durar décadas.
Aislantes tanto de frío como del calor, lo cual permite
el ahorro de energía, y también aislantes acústicos.
Muy ligeros frente a otros
materiales usados en la construcción, siendo así manejables y fáciles de
transportar y almacenar.
Tienen buena relación costo /
beneficio
La mayoría (a excepción del PVC) son respetuosos con
el medio ambiente, se pueden reciclar, reutilizar o trasformar en una fuente de
energía.
Estas son las características más generales pero
luego cada uno posee propiedades particulares que hacen que sean mas adecuados
para unas aplicaciones que para otras.
Existe una gran variedad de polímeros usados en la
construcción pero los más utilizados son el PVC, PSE, PU, y PE (alta y baja
densidad), tal como se aprecia en el siguiente grafico: Consumo de plásticos en
el sector de la construcción en Europa occidental.
La
materia está formada por moléculas que pueden ser de tamaño normal o moléculas
gigantes llamadas polímeros. Los polímeros se producen por la unión de cientos
de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros que forman enormes cadenas
de las formas más diversas. Algunas parecen fideos, otras tienen
ramificaciones.
ACERO
El acero es una aleación que se obtiene
derritiendo y uniendo diferentes materiales. Existen más de 2.500 clases de
acero estándar en todo el mundo y todos ellos están hechos principalmente con
lingotes de hierro que son extraídos del hierro mineral en los altos hornos de
las fundiciones y después se mete en la acería para obtener un acero con menos
del dos por ciento de carbón lo que suaviza el material y así es más fácil
procesarlo.
El acero es un material de alta
tecnología debido a sus diferentes características.
• Tiene alta fuerza y ductilidad • Se deforma fácilmente • Se vuelve más resistente luego de una colisión debido a transformaciones estructurales
Por ejemplo, en las carrocerías de
vehículos con este “acero deformante”, además de dar seguridad son livianas y
esto disminuye el consumo de energía.
El acero es utilizado como material de
construcción por su rápida colocación, y sus propiedades a tracción. En los
últimos años se ha encarecido mucho debido a que su producción tiene un alto
consumo energético y puede llegar a dañar el medio ambiente, por lo tanto es
esencial que un ingeniero civil conozca las características,
propiedades y usos del acero,
Ductilidad, es la
elongación que sufre la barra cuando se carga sin llegar a la rotura. Las
especificaciones estipulan que el estiramiento total hasta la falla, no sea
menor que cierto porcentaje mínimo (tabla 5.3) que varía con el tamaño y grado
de la propia barra (apartado
5.7.1). Dureza se define como la propiedad del acero a oponerse a la penetración de otro material (apartado 5.7.2). Resistencia a la tensión, Es la máxima fuerza de tracción que soporta la barra, cuando se inicia la rotura, dividida por el área de sección inicial de la barra. Se denomina también, más precisamente, carga unitaria máxima a tracción. Límite de fluencia, fy.- Es la tensión a partir de la cual el material pasa a sufrir deformaciones permanentes, es decir, hasta este valor de tensión, si interrumpimos el fraccionamiento de la muestra, ella volverá a su tamaño inicial, sin presentar ningún tipo de deformación permanente, esta se llama deformación elástica. El ingeniero utiliza el límite de fluencia de la barra para calcular la dimensión de la estructura, pues la barra soporta cargas y sobrecargas hasta este punto y vuelve a su condición inicial sin deformación. Pasado este punto, la estructura esta fragilizada y comprometida.
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