Materiales de construcción: Materias que se utilizan para la construcción. La materia está constituida por moléculas y éstas a su vez por átomos. Estos elementos se unen mediante enlaces fuertes (enlaces iónicos, covalentes, metálicos, etcétera) y débiles (fuerzas de Van der Vals y puentes de hidrógeno).
La materia puede estar en estado sólido, líquido y gaseoso; en estado sólido hay rigidez en la posición de las partículas mientras que los fluidos permiten desplazamientos entre sus elementos. El estado de la materia influye en las propiedades de los materiales (densidad, cohesión, etcétera). En función de la posición de las moléculas pueden estar en estado cristalino, forma regular, o en estado amorfo, posición aleatoria de las partículas.
En los materiales cristalinos nos encontramos con planos de distinto comportamiento, mientras que los materiales amorfos al tener una posición aleatoria hace que su disposición en el espacio sea homogénea; la mayor parte de los materiales de construcción son amorfos.
Un material es adecuado a la construcción cuando sus propiedades serían aconsejables en la obra; por ejemplo, un material deformado que no se puede utilizar como elemento de forjado.
Un cuerpo se considera como material cuando ésta en equilibrio y cuando mediante una acción exterior va a responder de una forma determinada.
Características básicas de los materiales:
Tienen que existir en cantidad abundante, tienen que poder adoptar las formas adecuadas para la obra a realizar, aspecto estético y económico.
Calidad de un material:
Conjunto de propiedades que sean óptimas o deseables frente a la acción exterior que consideremos.
Clasificación de las propiedades de los materiales:
Propiedades estéticas: Afecta a un conjunto de propiedades como el tamaño de grano en superficie, el color, la homogeneidad, etcétera.
Propiedades físicas:
- Cohesión: Fuerza que ocasiona la unión entre las partículas del material, está relacionada con las fuerzas atómicas.
- Densidad (m/v):
- huecos accesibles: si consideramos una membrana alrededor del material tendremos unos huecos accesibles a través de los cuales el viento y el agua pueden entrar.
- huecos inaccesibles: no pueden llegar los fluidos.
- Porosidad: Relación entre el volumen de poros y el volumen total.
- Hoquedad:Tamaño total de los huecos entre el volumen del conjunto.
- Compacidad: Complementaria de la porosidad.
- Absorción: Porcentaje de agua absorvida expresada en tanto por 100 de el peso de la materia seca; depende de la porosidad y de las condiciones, ya que no todos los poros son accesibles. La absorción máxima se obtiene en laboratorio mediante ebullición o haciendo el vacío.
- Coeficiente de saturación: Es el volumen absorbido en condiciones normales dividido por el volumen absorbido en condiciones de laboratorio. Influye en el comportamiento del material frente agresiones químicas y agentes exteriores sobre todo en materiales granulares.
- Permeabilidad: Facilidad que tiene un material para ser atravesado por un fluido cuando actúa una presión diferencial a ambos lados del material, es importante en obras hidráulicas.
- Índice de poros: Proporción entre el volumen total de poros y el volumen total de material.
- Capilaridad: es la mayor o menor facilidad que tiene un líquido de ascender o disminuir a lo largo de un poro accesible. Las condiciones geométricas de los poros influyen en la capilaridad de un diámetro determinado y no sufren ensanchamientos bruscos.
- Helacidad: Es la mayor o menor resistencia del material a la fragmentación en presencia de hielo en su interior, el agua al congelarse aumenta el volumen de agua un 7 por ciento esto genera unas presiones que pueden producir la rotura del material que la contiene. La helacidad está relacionada con la absorción y disposición de los poros, ya que si están en el superior del material el volumen aumenta hacia el exterior y no influye la helada.
- Solubilidad: Determina el comportamiento de los materiales de construcción, como la cantidad máxima de soluto (material) que puede existir en un volumen dado de disolvente en unas condiciones determinadas de temperatura.
- Finura: Es importante en los conglomerantes. Se refiere al mayor o menor grado de fragmentación del material. Antiguamente se medía mediante el tanto por ciento en peso que quedaba en unos tamices, hoy se utiliza el concepto de superficie especifica que es el área de la superficie correspondiente con la unidad de masa del material.
Propiedades térmicas:
- Conductividad térmica: Es la mayor o menor facilidad para dejar pasar el calor del material que consideremos. En función del comportamiento de los materiales tendremos metales como buenos conductores; hormigón, ladrillo, vidrio como intermedios y corcho, piedra pómez como malos.
- Dilatación: Modificación de dimensiones del material como consecuencia de variaciones de temperatura. Se define a través de un coeficiente de dilatación. Esta dilatación puede ser lineal, superficial, de volumen, etcétera. El coeficiente de dilatación también depende de la temperatura y se puede considerar constante.
- Conductividad eléctrica: Es la mayor o menor facilidad que presenta el material al ser atravesado por electricidad, se mide por la resistividad. La resistividad es inversa a la conductividad, los metales son buenos conductores, el diamante y el silencio son semiconductores; en los malos conductores o aislantes no tiene porqué pasar nunca la electricidad.
Propiedades acústicas:
- Pérdidas de transmisión: Es la mayor o menor facilidad que presenta el material para dejar atravesar el sonido. La dificultad que opone el material va a ser mayor cuanto mayor sea la compacidad. El coeficiente de reducción de ruidos tiene que ver con la superficie del material, cuanto más poroso sea el material mayor absorción de ruidos habrá.
- Viscosidad: Resistencia que tienen los líquidos a fluir a través de una superficie. Es la mayor o menor facilidad que tiene un líquido a las tensiones de contacto. La unidad es el Poisse aunque se usa el Centapoisse que equivale a la viscosidad del agua a 20 °C en el sistema C.G.S.
Características de los materiales en función de su comportamiento frente al fuego:
- Incombustibles: No se inflaman ni se descomponen a altas temperaturas.
- Autoestinguibles: Se inflaman con dificultad y se caracterizan porque cuando acercamos una llama arden y cuando la separamos dejan de arder.
- Combustibles: Sometidos a altas temperaturas arden y cuando retiramos la llama el proceso de descomposición continua.
- Inflamables: Son combustibles, la velocidad de propagación de la llama es muy rápida a lo largo de su masa.
Propiedades de los materiales para su construcción:
Es el comportamiento de los materiales frente acciones o esfuerzos exteriores de tipo físico. Depende de la constitución del material (átomos, moléculas), de la estructura en la que ha solidificado (cristalina, amorfa), de las características químicas del material y del ambiente que le rodea, de la historia del material (esfuerzos y deformaciones producidos en el pasado) y de los esfuerzos y deformaciones que sufre actualmente.
Propiedades mecánicas:
- Resistencia a rotura (tracción, compresión): La resistencia a rotura de un material es la oposición que presenta el material a ser roto por la acción de esfuerzos mecánicos exteriores.
- Tracción: Por ejemplo, tenemos una pieza prismática de un material sometido en sus extremos a dos fuerzas iguales y opuestas. La pieza está en equilibrio. Suponemos una sección de la pieza y también que el material no tiene cohesión, luego se romperá.
- Lo que mantiene rígida a la pieza a pesar de tener dos fuerzas opuestas, es la cohesión, que son fuerzas intermoleculares. Estas fuerzas se oponen a las fuerzas de tracción (dos fuerzas iguales y opuestas situadas en el eje de la pieza). Si la fuerza crece y es mayor que las fuerzas de cohesión se produce la ruptura del material, es el valor máximo que es capaz de aguantar el material.
Si ahora quitamos una parte de la pieza, para que siga en equilibrio habría que introducir unas fuerzas equivalentes a la fuerza que teníamos antes al otro lado de la pieza.
Estas fuerzas son muy numerosas, si en este conjunto de fuerzas consideramos un elemento que tenga una unidad de área, la resultante de las fuerzas que actúan dentro de ese elemento de área unidad son las fuerzas de tensión a la que está sometida la pieza.
Cuando actúa la tracción aparecen unas fuerzas de tensión, cuando la tracción es mayor que las fuerzas de tensión se produce la ruptura; al valor límite de la tensión a la cual se rompe la pieza es la resistencia de tracción.
- Compresión: Ejemplo, dos fuerzas iguales y opuestas a lo largo del eje de simetría. Tenemos unas tensiones y un valor límite de tensión que es el valor limite de la resistencia a comprensión. Los materiales pétreos tienen una mayor comprensión y menor tracción. Los metales son isorresistentes (igual compresión de tracción).
En el hormigón o en los materiales pétreos a esfuerzos de comprensión la rotura viene dada en forma de grietas que se producen paralelas al eje de actuación de las fuerzas, también aparecen conjunto de tracciones que son perpendiculares a las compresiones principales. Otras veces el material rompe por grietas inclinadas que corresponden al máximo esfuerzo cortante, grietas inclinadas relacionadas al esfuerzo principal.
Resistencia a cortadura:
Es similar al anterior. A ambos lados de una sección tenemos esfuerzos que actúan con sentido contrario. La pieza está sometida a un esfuerzo de cizalladura.
Los materiales se mantienen unidos (partículas) a través de las fuerzas de cohesión. Estas son paralelas a la superficie. Si consideramos un elemento de área unidad tenemos unas fuerzas interiores derivadas de la cohesión, la resultante es la tensión cortante. La resistencia a cortadura del material viene definida por la máxima tensión constante que puede soportar el material. En los metales es del orden del 50 por ciento de la tensión cortante.
Resistencia a flexión:
En una sección del material se introducen unos esfuerzos de tracción que alargan la fibra del material y en otra sección de la pieza se introducen unos esfuerzos de compresiones. En la parte de la tracción se produce un alargamiento mientras que en la parte de la compresión se produce un acortamiento. En la parte media está la fibra neutra que ni se alarga ni se acorta. En consecuencia, cuando supera la capacidad de cohesión se produce la ruptura del material.
–Dureza: Es la capacidad que tiene un material para oponerse a ser deformado en su superficie por la acción física de otro. Depende de las características del material (átomos, moléculas). La dureza es mayor cuando mayores son las fuerzas de cohesión de los átomos.
–Dureza al rallado: Mide la resistencia a ser rallado por otros, se mide respecto a unos patrones que forman la escala.
–Dureza a penetración: Resistencia de un material a ser penetrado en su superficie por la acción de otro, depende del tipo y forma (cónica, cilíndrica, etcétera).
–Dureza elástica: Comportamiento del material a ser sometido a un impacto de otro material que choca con él. Se mide por la acción de una barrena fijada, midiendo el tiempo que tarda en hacer una huella definida.
–Resistencia a abrasión: Resistencia que presenta un material a ser desgastado por frotamiento con otro material o por estar sometido a impactos de otros materiales.
La deformación de los materiales:
–Deformabilidad: Capacidad de los materiales a cambiar de forma, antes de la ruptura, frente a los agentes externos.
–Deformación: Alargamiento o acortamiento unitario de un material por los agentes que actúan sobre él, es adimensional.Podemos establecer una relación entre los esfuerzos a los que está sometido el material y las deformaciones (curva tensión-deformación). Para dimensionar un material tendremos que saber las tensiones internas y para eso necesitamos la historia de sus deformaciones ( sobre todo en materiales no metálicos).
–Elasticidad: Estudia los materiales como entes que cumplen la ley de Hooke.
–Reología: Estudio de las deformaciones anteriores del material.Relaciona la tensión con la deformación y con los tiempos de la deformación (velocidades); en función de la deformación se suele dividir en sólidos y líquidos. Cuando un material se deforma se genera una energía potencial que se va disipando poco a poco (relajación).
–Tiempo de relajación: Es el tiempo que transcurre desde que un material alcanza una tensión interior inicial hasta que alcanza el valor de esa tensión dividida por el número e. Un líquido perfecto tiene como tiempo de relajación 0, mientras que un sólido perfecto tiene como tiempo de relajación infinito. La deformación se ha estudiado por Newton. Los materiales de construcción se pueden agrupar en elásticos, viscosos y plásticos.
–Cuerpos elásticos: Cuando la acción de agentes exteriores que provocan deformación cesa también cesa la deformación y vuelve al estado primitivo.
–Cuerpos ideales elásticos: Pueden ser de dos tipos dependiendo de si siguen la ley de Hooke (Hookeanos, no Hookeanos). Los no Hookeanos utilizan el concepto de módulo de elasticidad tangente o secante.
Ley de Hooke: Relación lineal entre la tensión y la deformación.
Módulo de Poisson (dentro de los elásticos): Relación de la deformación transversal de una pieza con la deformación longitudinal.
–Cuerpos elásticos no ideales: La recuperación de la deformación está en función del tiempo.
–Cuerpos viscosos: Dentro de estos están todos los líquidos o semilíquidos. Cuando sometemos un fluido a una fuerza habrá una deformación que absorberá sólo parte de la energía, la otra parte se irá en calor. Cuanto más viscoso es el cuerpo mayor es la energía disipada. La inversa de la viscosidad es la fluidez. La unidad de viscosidad es el Poisse y Centipoisse.La viscosidad varía mucho de unos materiales a otros.
–Carácter de los fluidos Newtonianos: En ellos la velocidad de deformación es proporcional a la tensión cortante. Si el esfuerzo exterior es constante, la deformación va a ser proporcional al tiempo transcurrido.
–Cuerpos viscoanelásticos: Tienen una relación como consecuencia del esfuerzo que no es proporcional entre la tensión y la velocidad de deformación (betunes asfálticos).
–Cuerpos viscoelásticos: Tienen una deformación que permanece parcialmente (entre viscoso y elástico).
–Cuerpos plásticos: Tienen un comportamiento parecido a los viscosos. Su deformación empieza a partir de unos valores determinados de los esfuerzos.
–Cuerpos de Bingham: Se produce una deformación permanente en el lugar a partir del cual el material empieza a deformarse.
–Cuerpos plastoanelásticos: Son semejantes a los viscoanelásticos. La deformación es permanente, no hay una relación de deformación.
–Cuerpos plastoelásticos: La deformación es permanente en parte y otra parte se recupera como en los cuerpos elásticos.
–Propiedades relativas a la deformación:
–Ductilidad: Capacidad de un material de sufrir deformaciones por esfuerzos de compresión.
–Fragilidad: Es la mayor o menor facilidad del material a romperse sin haber sufrido casi deformación. Un cuerpo frágil no se ha de confundir con un cuerpo débil. Por ejemplo, los hormigones de gran resistencia son más frágiles que otros (menos flexibles). En algunos casos se usan materiales no frágiles, ya que éstos no nos indican el problema, sino que se produce la ruptura. Si es material flexible (no frágil) se verá una flexión, luego nos va a indicar la ruptura.
–Tenacidad: Capacidad de un material para absorber un trabajo como consecuencia de su deformación antes de llegar a la ruptura. Al haber deformaciones plásticas y elásticas, existen tenacidades plásticas y elásticas.
Tenacidad total = Tenacidad plástica + Tenacidad elástica
–Tenacidad elástica: Trabajo que es capaz de absorber el material en el tramo elástico.
–Tenacidad plástica: Trabajo que es capaz de absorber el material en el tramo plástico.
–Resiliencia: Es la energía absorbida (energía del choque) antes de la ruptura cuando hablamos de choque o impacto. Si la medimos en Kg/m y la dividiremos por la sección de rotura en milímetros cuadrados es lo que llamamos resiliencia.Los materiales frágiles serán poco tenaces al tener poca deformación.
–Esfuerzos de fatiga (esfuerzos repetidos): Cuando un material está bajo un esfuerzo repetitivo el material rompe bajo ese esfuerzo aunque este disminuya frente a la fatiga. Se estudia frente a los esfuerzos que pueden ser los siguientes.
–Esfuerzos alternativos: Oscilan entre dos valores de la misma magnitud y distinto signo.
