Propiedades de los materiales de construcción

La existencia de un material natural está estrechamente relacionada con la invención de las herramientas para su explotación y determina las formas constructivas. Por ejemplo, la carpintería de madera apareció en las diferentes áreas boscosas del planeta, y la madera sigue siendo, aunque su uso esté en declive, un material de construcción importante en esas áreas.

En otras zonas, las piedras naturales se utilizaron en los monumentos más representativos debido a su permanencia y a su resistencia al fuego. Dado que la piedra se puede tallar, la escultura se integró fácilmente con la arquitectura. El empleo de piedras naturales en la construcción está en decadencia, debido a su elevado precio y a su complicada puesta en obra. En su lugar se utilizan piedras artificiales, como el hormigón y el vidrio plano, o materiales más ligeros, como el hierro o el hormigón pre-tensado, entre otros.

En las regiones donde escaseaban la piedra y la madera se usó la tierra como material de construcción. Aparecen así el tapial y el adobe: el primero consiste en un muro de tierra o barro apisonado y el segundo es un bloque constructivo hecho de barro y paja, y secado al sol. Posteriormente aparecen el ladrillo y otros productos cerámicos, basados en la cocción de piezas de arcilla en un horno, con más resistencia que el adobe.

Por tanto, las culturas primitivas utilizaron los productos de su entorno e inventaron utensilios, técnicas de explotación y tecnologías constructivas para poderlos utilizar como materiales de edificación. Su legado sirvió de base para desarrollar los modernos métodos industriales.

La construcción con piedra, ladrillo y otros materiales se llama albañilería. Estos elementos se pueden trabar sólo con el efecto de la gravedad (a hueso), o mediante juntas de mortero, pasta compuesta por arena y cal (u otro aglutinante). Los romanos descubrieron un cemento natural que, combinado con algunas sustancias inertes (arena y piedras de pequeño tamaño), se conoce como argamasa. Las obras construidas con este material se cubrían posteriormente con mármoles o estucos para obtener un acabado más aparente. En el siglo XIX se inventó el cemento Pórtland, que es completamente impermeable y constituye la base para el moderno hormigón.

Otro de los inventos del siglo XIX fue la producción industrial de acero; los hornos de laminación producían vigas de hierro mucho más resistentes que las tradicionales de madera. Es más, los redondos o varillas de hierro se podían introducir en la masa fresca de hormigón, aumentando al fraguar la capacidad de este material, dado que añadían a su considerable resistencia a compresión la excepcional resistencia del acero a tracción. Aparece así el hormigón armado, que ha revolucionado la construcción del siglo XX por dos razones: la rapidez y comodidad de su puesta en obra y las posibilidades formales que ofrece, dado que es un material plástico. Por otra parte, la aparición del aluminio y sus tratamientos superficiales, especialmente el anodizado, han popularizado el uso de un material extremadamente ligero que no necesita mantenimiento. El vidrio se conoce desde la antigüedad y las vidrieras son uno de los elementos característicos de la arquitectura gótica. Sin embargo, su calidad y transparencia se han acrecentado gracias a los procesos industriales, que han permitido la fabricación de vidrio plano en grandes dimensiones capaces de iluminar grandes espacios con luz natural.

PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES

Cualquier profesional está dedicado a las aplicaciones prácticas de los materiales que dispone, ya sea para un puente u otra obra de ingeniería, y este debe poseer un conocimiento profundo de las propiedades y características del comportamiento de los materiales que propone utilizar.

De estás propiedades se debe tener en cuenta la resistencia, conductividad eléctrica y /o térmicas, densidad y otras.

PROPIEDADES FÍSICAS

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.

Peso Específico.- Se define como la relación del peso absoluto y el volumen.

Peso desecado (Pd). Es el peso de muestra completamente seco (humedad = 0%).

Porosidad.- Es el porcentaje de vacíos que  contiene.

Volumen.

• Volumen aparente (Va).

Volumen del material con sus poros abiertos y cerrados.

• Volumen Real (Vr).

Volumen aparente menos el volumen total de poros.

• Volumen Total de poros (Vtp).

Va + Vpc.

• Volumen de poros abiertos (Vpa).

Volumen de poros accesibles o que se saturan.

• Volumen de poros cerrados (Vpc).

Volumen de poros inaccesibles, que no se saturan.

Densidad.- Es la relación que existe entre la masa del material y el volumen de este.

Permeabilidad.- Es la propiedad del material de dejar pasar un fluido por diferencia de presión.

Capilaridad.- Es un fenómeno que se presenta cuando se pone en contacto molecular un liquido y un sólido.

Higroscopicidad.- Es la propiedad de los materiales porosos al absorber vapor de agua a partir del aire humedecido.

Humedad (H).- La humedad es la cantidad de agua que posee un material sin contar con el agua que forma parte de su composición.

H = [(Pn – Pd) / Pd] x 100

• Absorción (Ab).

Es la cantidad de agua que puede retener un material (en peso).

Ab = [(Ps – Pd) / Pd] x 100

• Absorción.

Es la cantidad de agua (o líquido) que acoge por contacto en superficie.

Succión.

Capacidad de un material de retener o embeber agua por ascensión de sus poros por capilaridad.

Compacidad (C).- Cantidad de material sin huecos o sin poros.

C = (Vr / Va) x 100 = (Da / Dr) x 100.

Módulo de Saturación.- Es la relación entre el volumen de poros abiertos y el volumen de poros totales.

MS = (Vpa / Vpt) x 100.

• Cuando un material sobrepasa el 70% de Módulo de Saturación, entonces se dice que el material es Heladizo.

PROPIEDADES TÉRMICAS.

Transmisión del Calor.- La transmisión del calor de los materiales se puede dar por diferentes propiedades que estos poseen entre ellas puedo mencionar las siguientes:

Capacidad Calorífica.- Es la relación que existe entre la temperatura y el contenido de calor de un material.

Calor Específico de un material.– Se define como la relación entre la capacidad calorífica del material y la del agua.

Calor de fusión y de vaporización.– Los cuales implican un cambio dentro del material que pasa de una estructura atómica o molecular a otra.

Expansión Térmica.– Esta se produce normalmente durante el calentamiento de un material, se debe a las vibraciones térmicas más intensas de los átomos.

Conductividad Térmica (K).– Es la constante de proporcionalidad que relaciona el flujo de calor Q y el gradiente térmico, ∆T/∆x.

 Q    =     K*((T₂–T₁)/(X₂-X₁))

Conductividad y resistividad.– La conductividad depende del número de portadores, la carga de c /u y la movilidad del portador de carga. La conductividad es recíproco de la resistividad ρ.

 Ρ^-1  = s = hqm

Reflexión de calor.- Los cuerpos según la permeabilidad al calor  se pueden clasificar en:

• Atérmanos o atérmicos: son aquellos que aumentan de temperatura cuando un flujo de energía calorífica radiante los atraviesa o sea son impermeables en mayor o menor grado de las radiaciones caloríficas.

Las mayores absorciones ocurren con el color negro y las mejores reflexiones con el color blanco.

• Diatérmicos. Son aquellos cuerpos o materiales que tienen la propiedad de la reflexión de la luz y a su vez dan paso con mucha facilidad al calor.

PROPIEDADES ACÚSTICAS.

Transmisión y Reflexión del sonido.- Esta propiedad es originada por vibraciones continuas de frecuencias relativamente bajas y puede propagarse por el aire o a través de los cuerpos sólidos y líquidos.

La porosidad esta relacionada a la capacidad de absorber y aislar el sonido según su intensidad.

PROPIEDADES OPTICAS

Color.- Al ingeniero le  interesa el color como componente arquitectónico del diseño de las estructuras y es usado como elemento decorativo.

Además permite realizar las combinaciones de figura y fondo de los panoramas elevados o isométricos de una obra, también mejora la visualización de los tonos de luz y sombra en el diseño.

Reflexión de la luz.- La luz al igual que el color y el sonido es un fenómeno vibratorio de frecuencias y velocidades relativas según la superficie donde se desplaza.

Transmisión de la luz.- Estudia la cantidad y forma, de luz que pasa a través de un cuerpo, su modificación y composición, depende del ángulo de incidencia y volumen de la superficie que atraviesan haciendo que cambie de dirección y velocidad generando la impresión del color sobre el material. A estos fenómenos se les conoce como Refracción y Difracción de la luz.

PROPIEDADES QUÍMICAS

Aquellas características íntimas de un material, donde los átomos se enlazan según la estructura que poseen generando fuerzas de cohesión ó repulsión, además la distribución molecular que permite su organización física.

Composición Química.- A la ausencia de ciertos elementos o la presencia de otros en la composición química pueden cambiar las características y propiedades en función de las condiciones de fabricación o utilización  del material.

Estabilidad Química.- Es una de las propiedades más importantes de los materiales puesto que interesa la resistencia del material al ataque de agentes agresores que pueden alterar sus propiedades ya sea la resistencia, dureza, desgaste, color, etc.

PROPIEDADES MECÁNICAS

Resistencia.- Es una medida del esfuerzo necesario para romper un material.

Esta dada por la siguiente formula:

R=F/A   (Kg/cm²⁾

• Resistencia a la tracción: cuando las fuerzas aplicadas a un cuerpo tienden a producir alargamiento en las fibras del cuerpo.

• Resistencia a la compresión: consiste en aplicar las cargas para acortar la distancia del material.

Tenacidad.- Es una medida de la energía necesaria para romper un material.

Elasticidad.- Es la propiedad de recuperar su forma y dimensiones cuando la fuerza deja de actuar.

Plasticidad.- Es la propiedad de mantener la deformación permanente después de desaparecer la carga.

Isotropía.- Esta relacionada con la elasticidad. Es la propiedad de la cual las condiciones o características de elasticidad se manifiesta de igual medida en cualquier dirección donde se presenta la deformación.

Rigidez.- se dice que una parte estructural es rígida si soporta un gran esfuerzo con una deformación relativamente pequeña.

El modulo de elasticidad de un material es una medida de su rigidez.

Dureza.- Resistencia de un material a la penetración de su superficie.

Ductilidad.- Es la deformación plástica antes de la ruptura, puede expresarse como Elongación.

       También tiene que ver con la reducción del área de los materiales en el punto de fractura. Los materiales altamente dúctiles se reducen mucho en su sección transversal antes de romperse. Está reducción del área es una medida de “Contracción” Plástica.

Deformación.- Es esencia proporcional al esfuerzo, es reversible, después de eliminar el esfuerzo la deformación desaparece.

Módulo Elástico (Módulo de Young).- Es una medida de fuerzas de unión interatómica, el Ingeniero debe estar completamente familiarizado a esta propiedad ya que se relaciona directamente con la rigidez de sus diseños de ingeniería.

Deformación Plástica.- Este tipo de deformación no es reversible. Por Ejemplo: Durante la fabricación de varillas de acero donde se produce primero un hilo liso de metal para luego transformarlos en lo que todos conocemos.

BIBLIOGRAFÍA:    

• MATERIALES PARA INGENIERÍA   (VAN VLACK)
• MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN-ALBERTO REGAL
• www.elrinconuniversitario.com
• www.unav.es