TEMA 2.- PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES. 2.0

TEMA 2.- PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES.
2.0.- INTRODUCCIÓN.
Los materiales que se utilizan en construcción deben tener una serie de propiedades, que justifiquen su uso.
A partir de los ensayos, se conoce el valor de cada una de las propiedades físicas, químicas y mecánicas que
interesa determinar. Para su realización, se deben obtener muestras representativas, a partir de las cuales
elaborar las correspondientes probetas a ensayar.
De acuerdo a lo anterior, vamos a desarrollar las principales propiedades de los materiales, así como los
ensayos que se realizan para determinar su valor. Comenzaremos por las observaciones elementales que se
pueden realizar sin necesidad de laboratorio.
2.1.- PROPIEDADES ORGANOLÉPTICAS.
Son aquellas que se pueden determinar sin la utilización de aparatos especiales. No son propiamente
ensayos, pero nos aportan datos de importancia sobre el material de un modo sumamente sencillo.
Nos referimos a las propiedades que se pueden determinar por medio de los sentidos y con instrumental
sencillo (lupa, navaja, ácido clorhídrico, etc.).
A simple vista, se puede observar: el color, tamaño de grano, fractura, superficie, estructura y datos sobre su
dureza y composición química.
El color nos puede indicar la presencia de impurezas o elementos extraños en el material, así como los
elementos que predominan en el mismo.
Por el tamaño del grano podemos realizar distintas clasificaciones, tanto de los materiales como de su
estructura. Del mismo modo, podemos justificar a priori el comportamiento mecánico y químico de dicho
material.
Según la fractura podemos clasificar el material en plano, rugoso, ondulado, etc. Nos sirve para observar la
existencia de cavidades y representa un índice de la facilidad de labra de dicho material.
La superficie según su estado, puede ser pulverulento o limpio, con o sin brillo, indicándonos alguna
propiedad sobre sus minerales.
La dureza se puede comprobar mediante el rayado con navaja, comparando y diferenciando la que tienen
distintos minerales y materiales.
La composición química desde un punto de vista cualitativo se puede analizar por ejemplo, humedeciendo
ciertos materiales, observando la presencia de arcillas al dar éstas un color característico, o mediante la
acción del ácido clorhídrico, podemos conocer los compuestos carbonatados al producir éstos efervescencia
con el ácido.
2.2.- PROPIEDADES FÍSICAS.
2.2.1.- Estructura de los materiales.
La estructura de los materiales se puede apreciar a simple vista o con aparatos de ampliación del tamaño y
depende de los minerales que lo componen y de su ordenación molecular, debido a los procesos que han
dado lugar a su formación. El conocimiento de la estructura cristalina de una material permite prever, hasta
cierto punto, su comportamiento. También permite optimizar el material para la aplicación prevista o
incluso encontrar nuevas aplicaciones.
Según como se hallen dispuestos los elementos que constituyen los materiales, se aprecian las siguientes
estructuras (Figura 2.2.1.1):
Figura 2.2.1.1.- Representación gráfica de las diferencias estructurales entre un cristal (a) y un vidrio (b).
- Cristalina: aquella en la que los componentes presentan una ordenación regular en sus moléculas.
Ordenándose los cristales que pueden ser de diversos tamaños según los distintos sistemas (cúbico, rómbico,
hexagonal...) (Figura 2.2.1.2) y aparecen aislados, asociados o formando maclas.
Figura 2.2.1.2.- Sistemas cristalinos. Relaciones entre los parámetros de red y las geometrías de las celdillas
unidad de los siete sistemas cristalinos.
Las maclas consisten en agrupaciones homogéneas de uno o de varios individuos de la misma especie que
poseen en común dos de sus tres direcciones cristalográficas principales. Muchas maclas se reconocen
fácilmente debido a que en ellas existen ángulos entrantes dirigidos hacia el interior del cristal.
Los tipos de maclas más importantes, relacionados con los minerales son:
Macla Carlsbad, derecha
Flecha
Yeso
Macla en cruz
Ortosa
Macla
en
Macla en codo
Macla de Pirita
punta
de
Rutilo
Pirita
La estructura cristalina puede ser macrocristalina, microcristalina y criptocristalina (con cristales demasiado
pequeños para ser vistos sin microscopio).
- Vítreas: son las estructuras constituidas por elementos con una desordenación molecular, aún cuando
pueden aparecer cristales aislados en la masa.
No obstante, los materiales adoptan, con mayor frecuencia, una estructura mixta; es decir, en el material
coexiste una fase vítrea y una cristalina. En la misma, se dan las uniones secundarias entre los cristales y
una serie de defectos en cuanto a su cristalización y demás características de forma y tamaño del grano,
siendo determinante todo esto en las propiedades que ofrecerá dicho material.
Según su apariencia podemos distinguir los siguientes tipos de estructura:
- Compacta: cuando presentan una masa homogénea. (Mármoles).
- Porosa o celular: presentan una masa heterogénea con poros, cavidades y restos orgánicos. (Piedra pómez).
- Granular: en forma de granos aglomerados. (Areniscas).
- Estratificada: presentan bandas de acuerdo a las capas de sedimentación (Arcillas).
- Laminar: formadas por láminas delgadas de fácil exfoliación. (Pizarras).
- Clástica: formada por fragmentos aglomerados por cementos naturales (Conglomerados).
- Fibrosa: formando fibras paraleleas o radiales, pudiendo ser bacicular, acicular (en agujas) y capilar (hilos
finos). (Yesos).
- Porfádicas: destacan gránulos de gran tamaño sobre una pasta de minerales difícilmente diferenciables.
(Porfídicos).
- Granitoideas: presentan minerales en granos adheridos de tamaños análogos. (Granitos).
2.2.2.-Densidad. Porosidad Compacidad.
La densidad de un material se define como la masa del mismo por unitaria de volumen, es decir ρ =
M
.
V
Varios factores influyen en la densidad: el tamaño y peso atómico de los elementos, el factor de
empaquetamiento de los átomos en la estructura cristalina y la cantidad de porosidad en la microestructura.
El término densidad puede usarse de varios modos, cada uno de ellos con un significado diferente. Para
estar seguro del significado correcto, tenemos que usar palabras para diferenciarlas:
Densidad cristalografica: es la densidad ideal de una estructura cristalina específica determinada a partir de
datos de composición química y de datos del espaciado interatómico obtenidos por difracción de rayos X.
Densidad teórica o real: la densidad de un material que contiene una porosidad microestructural nula,
teniendo en cuenta las fases múltiples, los defectos en la estructura y las soluciones sólidas).
Densidad global: la densidad de una pieza cerámica, incluyendo toda la porosidad, los defectos de red y las
distintas fases).
Densidad específica: la densidad de un material en relación con la densidad de un volumen igual de agua a
4°C (por lo general, basada en la densidad cristalografica o teórica). Así, un material con una densidad
específica de 4.5 tiene una densidad 4.5 veces la densidad del agua a 4° C. Asimismo, un volumen igual
pesa 4.5 veces que el de agua.
La mayoría de los materiales cerámicos comerciales contienen más de una fase cristalina y a menudo una
fase no cristalina. Cada una de dichas fases tiene una densidad diferente basada en los átomos presentes y en
su ordenamiento. Además, hay en la microestructura otra fase que es la porosidad. La densidad
cristalográfica no caracteriza suficientemente tales materiales multifásicos y porosos.
Para poder determinar las densidades de un material, definidas éstas como el cociente entre la masa y el
volumen, se realizará de la siguiente forma:
La masa: se adoptará siempre para calcular la densidad, el valor de la masa de la muestra seca a peso
constante, que será:
Masa probeta = Masa sólido + Masa aire ≅ Masa sólido
El volumen: cabe distinguir tres tipos de volúmenes que un material puede presentar en el espacio
dependiendo de que consideremos el contenido o no de huecos de éste.
Partiendo de la consideración de que todo material está formado por una determinada cantidad real de
materia (compacidad) y una cantidad de huecos (porosidad), podemos clasificar los distintos volúmenes
como se muestra en la figura 2.2.2.1.
Figura 2.2.2.1.- Distintos volúmenes que presenta un material.
Así el volumen total (VT) (Otros lo denominan volumen aparente) de un material consta de los siguientes
sumandos :
VT = Vm + Vpc + Vpa
( 2.2.2.1 )
donde :
Vm = Volumen ocupado por la masa de material (Volumen másico).
Vpc = Volumen ocupado por los poros cerrados (No comunicados con el exterior).
Vpa = Volumen ocupado por los poros abiertos (Accesibles desde el exterior).
La suma del volumen másico ( Vm) mas el volumen de los poros cerrados ( Vpc) se denomina ,
habitualmente, volumen aparente ( Vap), (Otros lo denominan volumen relativo) ,es decir no se consideran
los huecos abiertos:
Vap = Vm + Vpc
(2 2.2.2)
Los poros abiertos a su vez pueden ser permeables o impermeables (Comunicados o no comunicados).
Debido a las expresiones (2.2.2.1) y (2.2.2.2) teniendo en cuenta la definición de densidad (Masa/Volumen)
se pueden definir tres tipos de densidades (Según por que volumen se divida). La masa total se asimila a la
del sólido (M), ya que la del aire puede despreciarse. Así tenemos :
Densidad real = ρ =
M
Vm
Densidad aparente = ρ ap =
Densidad global = ρ g =
M
Vap
M
Vt
En materiales muy compactos las dos últimas densidades pueden diferir en un 2 % solamente.
Porosidad. Compacidad.
La porosidad de un material conformado incide directamente en su resistencia mecánica (que disminuye al
aumentar la porosidad). Otras características importantes como el comportamiento frente al ataque químico,
la conductividad térmica y la resistencia al choque térmico, quedan también influenciadas por el tamaño,
forma, número y distribución de los poros. La porosidad puede permitir la permeabilidad a gases o líquidos,
cambiar las características eléctricas o comprometer el comportamiento óptico.
Así, cualquier porosidad residual tendrá un efecto negativo en las propiedades elásticas y en la
resistencia. Por ejemplo, se ha observado que la magnitud del módulo de elasticidad E disminuye con
la fracción de volumen de porosidad de acuerdo con la ecuación:
(
E = E0 1 − 1.9P + 0.9P 2
)
(2.2.2.3)
donde Eo es el módulo de elasticidad del material no poroso. La influencia de la fracción de volumen
de porosidad sobre el módulo de elasticidad para la alúmina se muestra en la figura 2.2.2.2. La
gráfica representada en dicha figura es la curva de la ecuación (2.3.3).
Figura 2.2.2.2.- Influencia de la porosidad en el módulo de elasticidad del Al2O3 a temperatura ambiente.
La porosidad es desfavorable para la resistencia a la fractura (o módulo de rotura) por dos razones:
(1).- Los poros reducen el área de la sección a través de la cual se aplica la carga,
(2).- Actúan como concentradores de tensión: en el caso de un poro esférico la tensión es amplificada
en un factor 2.
La influencia de la porosidad en la resistencia es mucho más dramática, por ejemplo, no es raro que un
10 % de porosidad disminuya el módulo de rotura en un 50 % del valor medido para el material no
poroso. El grado de influencia del volumen de poros sobre la resistencia a la rotura se demuestra en la
figura 2.2.2.3, de nuevo para la alúmina.
Experimentalmente, se ha demostrado que el módulo de rotura disminuye exponencialmente con la
fracción de volumen de poros (P) según la fórmula de Ryshkevich:
σ mf = σ 0 exp ( −nP )
(2.2.2.4)
En esta expresión σ 0 (Módulo de rotura del material no poroso) y n son constantes experimentales.
Figura 2.2.2.3.- Influencia de la porosidad en el módulo de rotura del Al2O3 a temperatura ambiente.
También existe la fórmula de Balshin:


σ = σ 0 1−
P 

100 
n
(2.2.2.5)
Dentro de los materiales conformados definimos la porosidad abierta, Pa como la relación existente entre el
volumen de poros comunicados al exterior (Vpa) y su volumen total, Vt , expresado en tanto por ciento de este último. Igualmente definimos la porosidad total, Pt, como la relación existente la suma de los volúmenes
de poros abiertos y cerrados (Vpc + Vpa) a su volumen total, Vt, así como la porosidad cerrada, Pc , como la
relación entre Vpc y Vt , es decir:
V
V
V + V pc
Pa = pa 100 ,
Pc = pc 100 ,
Pt = pa
100
(2 2.2.6)
Vt
Vt
Vt
La compacidad se define como : C = 100 – Pt .
Capacidad de absorción.
Se entiende por capacidad de absorción de agua, la relación existente entre el peso del agua absorbida, hasta
saturación (H – P), por un material y su peso en seco (P) , expresada en tanto por ciento de éste último. H es
la masa de la probeta húmeda saturada.
Capacidad de absorción de agua : A =
H −P
100
P
(2 2.2.7)
A continuación, se comentarán los métodos para la obtención de los distintos tipos de volumen.
Método de la balanza hidrostática: es el método utilizado para obtener el volumen total y aparente. Si bien
es cierto que de un cuerpo regular la obtención del volumen total sería tan simple como medir sus aristas y
operar, existe una gran gama de materiales cuyas formas son totalmente irregulares, de los cuales no se
puede obtener su volumen total de forma tan simple. Este método se fundamenta en dos principios básicos;
el primero tras la comparación de masas permite la obtención de volúmenes, el segundo en el conocido
principio de Arquímedes.
Como se aprecia en la figura 2.2.2.4 , la balanza dispone de un brazo corto desde el cuál se suspende e
introduce en un líquido (normalmente agua), el material del que pretendemos obtener su volumen. Dicho
material se ha introducido en la misma, saturado totalmente de agua para que el valor del volumen que
expresa el empuje, sea el volumen total, es decir, nos de información de la cantidad real de materia así como
de todos los huecos. En el brazo largo, colocaremos pesas de masa conocida hasta equilibrar la balanza. El
valor de dichas pesas, es lo que conocemos por masa de la probeta sumergida (S).
Figura 2.2.2.4.- Método de la balanza hidrostática .
Para la saturación de la probeta se pueden utilizar dos métodos :
Método 1 (Figura 2.2.2.5).
.
Se introduce la probeta en un recipiente de manera que no quede tocando el fondo del mismo y se añade
1
agua destilada que se halle a la temperatura ambiente, hasta que cubra aproximadamente
de su altura y se
4
comienza a calentar. Se continua añadiendo agua cada media hora harta que al cabo de dos horas se
encuentre completamente sumergida. A continuación, se hierve durante dos horas, reponiendo el agua
evaporada con agua destilada hervida y caliente, de tal modo que la probeta esté, durante las dos horas,
totalmente cubierta. Se deja enfriar dentro del agua hasta que alcance la temperatura ambiente.
Figura 2.2.2.5.- Saturación de la probeta por inmersión progresiva en agua a ebullición.
Método 2 (Figura 2.2.2.6).
Se coloca la probeta seca y enfriada en un recipiente estanco. Cerrado el recipiente, se hace el vacío hasta
que se alcance una presión, constante de 25 mbar y se mantiene esta presión durante 15 minutos como
mínimo Para comprobar que se ha conseguido la desgasificación total de la probeta, se desconecta el
recipiente de la bomba de vacío y se comprueba, mediante el manómetro que no aumenta la presión en el
interior. Se vuelve a conectar el recipiente a la bomba de vacío y se introduce progresivamente el líquido de
inmersión, de forma que, al cabo de 3 minutos la probeta esté totalmente recubierta de líquido. Se mantiene
esta presión reducida durante 30 minutos , se desconecta la bomba y se abre el recipiente.
Figura 2.2.2.6.- Instalación de vacío para la determinación de la densidad aparente y porosidad abierta.
Masa de la probeta húmeda, H.
Se extrae la probeta del agua, se eliminan las gotas de agua de su superficie utilizando un trapo ligeramente
húmedo y se pesa con una precisión mínima de 0,1 g.
Será igual a : H = P + V pa ρl
de donde :
V pa =
H −P
(2 2.2.8)
ρl
siendo P = Masa de la probeta seca.
Masa de la probeta sumergida, S .
Seguidamente se pesa suspendida dentro de agua destilada, en la balanza hidrostática, con precisión mínima
de 0,1 g.
Si expresamos matemáticamente lo que está ocurriendo en la balanza cuando esta está equilibrada,
tendremos:
PS = PH – Empuje
o bien
gS= g H– VT . ρ1 . g
,
S= H– VT . ρ1
(2 2.2.9)
de donde:
VT =
H −S
(2 2.2.10)
ρl
Por otra parte, sustituyendo el valor de H en (2.2.2.9) se tiene:
S= P + Vpaρl– VT . ρ1
De :
o bien :
VT = Vm + Vpc + Vpa se deduce :
Luego :
ρl Vap = P – S de donde :
ρl (VT − V pa ) = P – S
(2 2.2.11)
VT - Vpa = Vm + Vpc = Vap
Vap =
P−S
ρl
(2 2.2.12)
Hay que destacar, que el líquido utilizado para el ensayo no sea capaz de reaccionar con el material, así
como su densidad siempre debe ser inferior al mismo.
Estamos ya en condiciones de calcular la densidad global, la densidad aparente y la porosidad abierta, así
como la capacidad de absorción.
Densidad aparente = ρ ap =
Densidad global = ρ g =
M
M
=
ρl
Vap
P−S
M
M
=
ρl
Vt
H −S
(2 2.2.13)
(2 2.2.14)
Porosidad abierta = Pa =
V pa
Vt
100 =
Capacidad de absorción = A =
H −P
100
H −S
H −P
100
P
(2 2.2.15)
(2 2.2.16)
Nos queda por determinar la densidad real y una de las otras porosidades ( cerrada o total), ya que la otra se
calculara por suma o diferencia.
Densidad real.
Los métodos basados en el principio de Arquímedes no pueden dar la densidad real de los materiales
porosos, como son la mayoría de los materiales de construcción. Esto sucede porque parte de la porosidad es
inaccesible al líquido en el que sumergimos el ladrillo, los poros cerrados o aquellos abiertos que no
permitan la entrada del líquido o fluído. Para obtener en este caso la verdadera densidad, o mejor, el
verdadero peso específico, necesitamos pulverizr el material a una malla que produzca la rotura de los
pequeños poros y de los poros cerrados.
El fin que se persigue con la pulverización es hacer desaparecer, pues, los poros cerrados y poder hacer una
medida del volumen que ocupa el material sólido (Figura 2.2.2.7). El líquido de inmersión penetra entre las
partículas de sólido una vez que se elimina el aire que existe entre ellas.
Figura 2.2.2.7.- Eliminación de los poros cerrados por pulverización.
Se pueden usar los siguientes métodos :
a.- El método del picnómetro.
b.- El método del frasco (Rees - Hugill) o del volumenómetro.
Método del picnómetro.
El picnómetro es un matraz calibrado de 25 ó 50 ml., provisto de un tapón de tubo capilar aforado,
construido de manera que, entre el tapón y la boca del frasco, no existe la posibilidad de retención de
burbujas.
En el picnómetro se pesan 2 - 5 g. del material, secado previamente a 110 ± 2 °C durante 2 horas, se añade
líquido desairado (agua), aproximadamente 1/3 de su capacidad, se agita con cuidado para eliminar las
burbujas de aire, y se lleva hasta ebullición con precaución, para expulsar totalmente el aire ocluido entre las
partículas. (La forma de eliminar el aire entre partículas, pues los poros cerrados ya han sido destruidos;
puede hacerse también por medio de una bomba de vacío). El líquido de inmersión puede ser agua, tolueno,
xileno... dependiendo de la naturaleza química de la muestra y de su finura).
Una vez que el picnómetro más muestra se encuentre a temperatura ambiente y haya sedimentado el
material, se llena con agua desairada, utilizando una pipeta y haciendo que el líquido resbale lentamente por
la pared del picnómetro, colocando, a continuación el tapón con cuidado, para que el líquido sobrante salga
por el tubo capilar. A continuación, se introduce en un baño termostático a 25 ± 0.1 °C durante 30 minutos,
siempre y cuando la temperatura ambiente no exceda de 20 °C , si así fuera, la temperatura del baño será
mantenida a menos de 5 °C por encima de la temperatura ambiente. Al cabo de 30 minutos, se enrasa el
picnómetro, aún dentro del baño, se saca de él, se seca externamente con cuidado, con un paño sin frotar, y
se pesa en una balanza analítica, con una precisión de 0.001 g.
Una vez realizada esta pesada, se vierte su contenido, se enjuaga cuidadosamente con líquido desairado para
no dejar partículas adheridas, y se seca exteriormente. Se llena, a continuación, con el líquido de inmersión y
se enrasa; se sitúa seguidamente el picnómetro en el baño termostático durante 30 minutos a la misma
temperatura y, pasando ese tiempo, se enrasa, se saca, se seca y se pesa.
Con los pesos del picnómetro vacío (m), con el polvo (m1), lleno del líquido de inmersión (m3) , picnómetro
más polvo y líquido (m2) , y la densidad del agua a la temperatura del baño termostático con relación a la del
agua a 4°C, se determina la densidad real de la muestra, con una precisión de ± 0.01 g.
Conocidas las 4 pesadas la densidad real se calcula como sigue (Figura 2.2.2.8):
Densidad real = ρ =
donde : M = m1 – m y
siendo :
M
Vm
Vm = Vp – Vl
Vp = Volumen del picnómetro
Vp = Volumen que ocupa el líquido en el picnómetro con muestra.
Se tiene que:
Vl =
m2 − m1
Vp =
y
ρl
m3 − m
ρl
con lo que :
Vm = Vp – Vl =
(m3 − m) − (m2 − m1 )
ρl
Y sustituyendo en la expresión de la densidad real:
ρ=
M
(m1 − m) ρl
=
Vm
(m1 − m) − (m2 − m3 )
(2 2.2.17)
Figura 2.2.2.8.- Cálculo de la densidad real por el método del picnómetro.
Método del volumenómetro
A diferencia del método anterior, su exactitud es mucho menor, debido a que no se hierve, ni se somete a
vacío, ni se utiliza el baño termostático. Es, por tanto, un método orientativo de la densidad del material
analizado. Para determinar la densidad, se pesan unos 30 g. (M) de muestra pulverizada y seca. Como se
aprecia en la figura 2.2.2.9, se introduce en el volumenómetro que previamente contenía una determinada
cantidad de líquido(agua, xileno, etc) enrasada en Vi. En este instante, se experimenta un incremento de
nivel de la columna de agua hasta Vf. Al disponer éste de una regla graduada, el volumen real será la
diferencia de ambas lecturas:
Vm = Vf - Vi
A partir de los datos obtenidos, se calcula la densidad de la muestra:
ρm =
M
V f − Vi
(2 2.2.18)
Figura 2.2.2.9.- Método del volumenómetro
Una vez determinada la densidad real se puede determinar la porosidad total de la muestra y a continuación
por diferencia la porosidad cerrada.
Pt =
V pa + V pc
Vt
 M
 Vm 
VT − Vm
ρr

100 =
100 = 1 − 100 = 1 −
M
VT
 VT 

ρg


 ρg 

=
100
1 −
100

 ρr 


es decir,
 ρg 
Pt =  1 −
100
 ρr 
(2 2.2.19)
Análogamente, se puede expresar la porosidad abierta en función de la densidad global y de la aparente,
resultando :
Pa =
V pa
Vt
100 =
VT − Vap
VT
 M
ρ ap
 Vap 

100 = 1 −
100 = 1 − M
 VT 

ρg



ρg 

=
−
100
1
100


 ρ 
ap 



es decir,
 ρg 
Pt =  1 −
100
 ρr 
(2 2.2.20)
Y finalmente la porosidad cerrada:
Pc =
 ρg
100 = 1 −
Vt
 ρr
V pc

ρg 

100 =
100 - 1 −
ρ

ap


 ρg ρg 
ρ r − ρ ap
−

100 = 100 ρ g
ρ r ρ ap
 ρ ap ρ r 
luego:
Pc = 100 ρ g
ρ r − ρ ap
ρ r ρ ap
(2.2.2.21)
Absorción y humedad.
Es la máxima cantidad de agua que puede entrar en los huecos accesibles.
La absorción normal es la cantidad de agua absorbida hasta saturación por un material a presión y
temperatura ambiente.
P − PS
A = SAT
100
(2 2.2.22)
PS
donde:
PSAT = Peso saturado.
PS = Peso seco.
La absorción a ebullición es cuando se saturan las probetas por ebullición durante dos horas, una vez que se
han cubierto paulatinamente de agua.
La humedad es la proporción en peso de agua sobre el sólido.
H=
PH − PS
100
PS
(2 2.2.23)
donde:
PH = Peso de la probeta humeda.
2.2.3.- Permeabilidad.
Es la propiedad que tienen los cuerpos a dejarse atravesar por los fluídos.
Un modelo para determinar la permeabilidad de un lecho de partículas empaquetadas , al que también se
puede asimilar un material conformado, fue desarrollado por Darcy (1856) para explicar la permeación a
través de un filtro de arena. Observo que el caudal volumétrico, Q, a través del filtro de espesor L (Figura
2.2.3.1) era proporcional a la diferencia de presión , ∆P , y al área de la sección transversal A. La ecuación
de Darcy es:
Q=
K D A∆P
L
(2.2.3.1)
donde KD es el coeficiente de permeabilidad de Darcy.
Normalizando la ecuación (2.2.3.1) para introducir la viscosidad del fluido, ηf , el coeficiente específico de
permeabilidad KP es:
KP = KDηf
Con lo que la ecuación de Darcy se transforma en :
Q=
de donde y teniendo en cuenta que Q =
Volumen V
=
Tiempo
t
K P A∆P
ηf L
resulta: KP =
(2.2.3.2)
η f LV
At ∆P
(2.2.3.3)
Figura 2.2.3.1.- Aparato para determinar el coeficiente de permeabilidad.
La ecuación (2.2.3.1) es válida siempre y cuando el flujo a través de los poros sea laminar, lo cual puede
estimarse mediante el número de Reynolds.
ρ f vaV A
Re =
(2.2.3.4)
ηf
donde:
ρf = Densidad del fluido.
ηf = Viscosidad absoluta del fluido.
aV A = Dimensión media de los canales debidos a la porosidad abierta interconectada
v = Velocidad media del fluido en los canales entre las partículas con una dimensión media aV
A
.
En las piedras el fluído, generalmente, es el agua, y se define como la cantidad de agua, en litros que la
atraviesan en una hora y a una presión dada.
Para pequeñas cargas de agua se emplean cubos de 7.07 cm. de arista, o sea 50 cm2 de superficie, saturados
de agua durante 48 horas, y se mantienen sumergidos en agua durante toda la experiencia.
Para determinar la permeabilidad a presiones mayores se emplean acumuladores de aire comprimido que
permiten mantener una presión constante, y se aprecia por un manómetro. La probeta se sujeta fuertemente
al aparato y se recoge el agua que la atraviesa en un tubo graduado.
La permeabilidad a los gases (p.e. aire) se determina haciendo atravesar la probeta por un volumen de gas
bajo el efecto de una diferencia de presión. Como unidad de medida se utilizará el Perm.
Un cuerpo poroso tiene una permeabilidad de un Perm (Pm), cuando un centímetro cúbico de gas, con la viscosidad de un poise, a una diferencia de presión de una dina por centímetro cuadrado, pasa, en un segundo,
por una sección de un centímetro cuadrado en dirección perpendicular, en una longitud de un centímetro.
Para la aplicación práctica se recomienda el Nanoperm, (nPm).
1 Pm = 109 nPm
Para su determinación se pueden utilizar probetas de forma cilíndrica con 50 mm de diámetro y 50 mm de
altura y una tolerancia de ±0,5 mm en ambas medidas. Las bases serán planas y paralelas. Se colocarán en el
porta-probetas según el esquema de la figura 2.2.3.2 , el cual deberá efectuar una estanqueidad perfecta
alrededor de la probeta, para lo cual estará provisto de una membrana de goma, que se hinchará con una
presión de, aproximadamente, unos 2 Kgf/cm2
.
Para el cálculo de los resultados se aplicará la siguiente fórmula: µ =
VLη
981∆PtS
(2.2.3.5)
en la cual:
µ = permeabilidad, en permes V = volumen de aire, en centímetros cúbicos
L = longitud de la probeta, en centímetros viscosidad dinámica del aire, en poises
∆P = presión diferencial, en centímetros de columna de agua
t = tiempo, en segundos
S = sección de la probeta, en centímetros cuadrados.
Figura 2.2.3.2 .- Esquema del porta - probetas
La viscosidad del aire a distintas temperaturas, es la dada en la tabla 2.2.3.1.
Tabla 2.2.3.1 .- Viscosidad del aire
Temperatura
ºC
16
18
20
22
24
28
Viscosidad
Poises
1.788 x 10-4
1.798 x 10-4
1.808 x 10-4
1.818x10-4
1.828 x 10-4
1.847 x l0-4
La permeabilidad es una propiedad vectorial, es decir, varía según la dirección en la cual se realiza la
medida. La permeabilidad está relacionada con el tamaño y cantidad de poros del material, pero no esta
directamente ligada a la porosidad abierta.
Si se toma la presión en atmósferas y la viscosidad en centipoises, resulta la unidad denominada Darcy.
1 Perm = 1.013x108 Darcy
2.2.4.- Heladicidad.
Es la resistencia a ciclos hielo / deshielo y, normalmente, se define por la disminución de la resistencia a la
compresión de las probetas antes y después de 25 ciclos de hielo y deshielo.
El agua, al helarse, H2O(l) H2O(s), aumenta de volumen aproximadamente en un 10%, y los materiales
cuya cohesión no es capaz de resistir estas dilataciones producidas al helarse el agua contenida en los poros,
se agrietan, desprenden escamas, se redondean las aristas y disminuyen las resistencias mecánicas.
El ensayo de heladicidad se lleva a cabo sobre probetas cúbicas de 7.07 cm. de arista, las cuales se desecan y
pesan. Se saturan de agua de +15 a +20 °C por inmersión en agua 48 horas o por el vacío. Después se
colocan en una cámara frigorífica durante 4 horas a una temperatura comprendida entre -15 y –20 °C, y se
sacan y deshielan, sumergiéndolas en agua a +15 a +20 °C durante otras 4 horas. Esta operación de helar y
deshielo se repite 25 veces consecutivas, observando las alteraciones, pérdida de peso y resistencias.
Completados los 25 ciclos de hielo y deshielo, se procede a la inspección ocular de las piezas, comprobando
que durante el ensayo no se han producido exfoliaciones, fisuras o desconchados. La aparición durante el
ensayo de cualquiera de los defectos anteriores en cualquier probeta la califica como heladiza.
En caso de duda o de no observación de estos defectos, se procederá a realizar el ensayo comparativo de
resistencia a la compresión. Obtenidos los resultados del ensayo se calificará la pieza según los siguientes
valores del coeficiente de heladicidad K:
K > 0.8
0.7 < K < 0.8
K < 0.7
siendo K =
no heladizo
potencialmente heladizo
heladizo
RA
donde:
RB
RA = Valor medio de la resistencia de las probetas sometidas al ensayo de heladicidad (Kgf/cm2) .
RB = Valor medio de la resistencia de probetas no sometidas al ensayo de heladicidad (Kgf/cm2) .
También se suele utilizar para determinar numéricamente si un material es o no heladizo, el coeficiente de
heladicidad , el cuál relaciona la cantidad de huecos abiertos que tiene el material respecto de la cantidad de
huecos totales.
K=
V pa
V pt
(2.2.4.1)
Si bien es cierto que este coeficiente no aportará un dato exacto respecto de si es o no heladizo el material,
su obtención nos indicará la conveniencia o no de ser utilizado el mismo en exteriores, es decir, si la
cantidad de porosidad abierta fuese muy importante respecto de la porosidad total, este material se vería
fácilmente agredido por los agentes atmosféricos o cualquier otro tipo de ataque químico como podría ser de
sulfatos y demás sales.
2.2.5.- Morfología.
Es la propiedad que determina la forma y dimensiones del material más adecuadas para su utilización.
Cuestiones como el ángulo, planitud, dimensiones, etc., son importantes controlar para el correcto trabajo
del material en la obra.
Por otro lado, las distintas formas que adopten materiales utilizados como materias primas para la
fabricación de otros, variarán de forma significativa sus propiedades tanto físicas como mecánicas. Ejemplo
de ello son el tamaño y la forma.
Asimismo, dependiendo de la tipología. y forma que disponga un mismo material ante un determinado
esfuerzo, hará o no adecuada su respuesta.