Química de Materiales - Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)

Última modificación: 29-10-2015
250209 - QUIMMATER - Química de Materiales
Unidad responsable:
250 - ETSECCPB - Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de
Barcelona
Unidad que imparte:
751 - ECA - Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Curso:
2015
Titulación:
GRADO EN INGENIERÍA DE OBRAS PÚBLICAS (Plan 2010). (Unidad docente Obligatoria)
Créditos ECTS:
7,5
Idiomas docencia:
Catalán, Castellano
Profesorado
Responsable:
PATRICIA TERESA PARDO TRAFACH
Otros:
ANDREU CODINA MENDOZA, PATRICIA TERESA PARDO TRAFACH, PATRICIA ROVIRA BASTUS
Horario de atención
Horario:
Patricia Pardo Miércoles 16-18h
Viernes 12-13h
Módulo B1, Despacho 112
patricia.pardo @ upc.edu
Competencias de la titulación a las cuales contribuye la asignatura
Específicas:
3071. Conocimiento teórico y práctico de las propiedades químicas, físicas, mecánicas y tecnológicas de los materiales
más utilizados en construcción.
Transversales:
591. COMUNICACIÓN EFICAZ ORAL Y ESCRITA - Nivel 1: Planificar la comunicación oral, responder de manera
adecuada a las cuestiones formuladas y redactar textos de nivel básico con corrección ortográfica y gramatical.
597. USO SOLVENTE DE LOS RECURSOS DE INFORMACIÓN - Nivel 1: Identificar las propias necesidades de
información y utilizar las colecciones, los espacios y los servicios disponibles para diseñar y ejecutar búsquedas
simples adecuadas al ámbito temático.
600. APRENDIZAJE AUTÓNOMO - Nivel 1: Llevar a cabo tareas encomendadas en el tiempo previsto, trabajando con
las fuentes de información indicadas, de acuerdo con las pautas marcadas por el profesorado.
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Metodologías docentes
Tomando como hilo conductor la química de los cementos, a lo largo del curso se irán introduciendo los conceptos de
química que permitirán entender la estructura de la materia y la naturaleza de sus principales transformaciones.
La estructura de cada tema será la siguiente:
1) Se facilitarán apuntes sobre los conceptos químicos relevantes que aparezcan en cada tema. El alumnado deberá
estudiar dichos conceptos de manera autónoma.
2) Se llevará a cabo una sesión para clarificar las dudas surgidas en el estudio de los conceptos químicos necesarios para
la comprensión del tema.
3) Se dará una explicación teórica en la que los conceptos anteriores se aplicarán al estudio de cementos.
4) Los conceptos estudiados se aplicarán a la resolución de problemas y ejercicios prácticos sobre cementos.
Eventualmente, se introducirá algún tema complementario relacionadocon el estudio de otros materiales de construcción,
como por ejemplo, los metales o los materiales cerámicos.
Se utilizará material de apoyo en formato de plan docente detallado mediante el campus virtual ATENEA: contenidos,
programación de actividades de evaluación y de aprendizaje dirigido y bibliografía.
Objetivos de aprendizaje de la asignatura
Conocimientos teórico y práctico de las propiedades químicas, físicas, mecánicas y tecnológicas de los materiales más
utilizados en construcción.
1. Capacidad para identificar, obtener la composición y estructura de los materiales de construcción, mediante diferentes
técnicas experimentales.
2. Capacidad para diseñar un programa de análisis de materiales de una estructura o infraestructura.
3. Capacidad para realizar una valoración crítica de los resultados de un programa de análisis de materiales realizado en
una estructura.
Conocimientos científicos básicos de la química de los materiales (calor, equilibrio, ordenación atómica, cristales,
polímeros y geles) Conocimientos de estructura, tipos y propiedades de materiales de construcción (conglomerantes,
diagramas de fases, corrosión). Conocimiento de los métodos experimentales de determinación de la composición y
estructura de los materiales de construcción.
Asentar y consolidar los conceptos fundamentales de química adquiridos en el bachillerato. En el caso de que estos
conocimientos no se tengan, proporcionar herramientas al alumnado para que los puedan alcanzar y les permitan el
correcto seguimiento de la asignatura.
Proporcionar conocimientos básicos de la estructura de la materia que permitan la interpretación de las propiedades
químicas, físicas y mecánicas de los materiales a partir de las interacciones atómicas, así como el establecimiento de
relaciones entre su estructura microscópica y sus propiedades macroscópicas.
Estudiar los principales tipos de procesos químicos, los factores que influyen en ellos y las consecuencias que comportan.
Proporcionar los conocimientos básicos que permetiran comprender la química de los materiales de construcción más
habituales, así como de los procesos de degradación que estos pueden sufrir.
Introducir al alumnado en el estudio de los materiales de construcción utilizados por el ingeniero técnico de obras
públicas en su ejercicio profesional, a partir del estudio de los materiales conglomerantes.
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Horas totales de dedicación del estudiantado
Dedicación total: 187h 30m
Grupo grande/Teoría:
55h
29.33%
Grupo mediano/Prácticas:
14h
7.47%
Grupo pequeño/Laboratorio:
6h
3.20%
Actividades dirigidas:
7h 30m
4.00%
Aprendizaje autónomo:
105h
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56.00%
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Contenidos
Tema 01. Introducción
Dedicación: 12h
Grupo grande/Teoría: 4h
Grupo mediano/Prácticas: 1h
Aprendizaje autónomo: 7h
Descripción:
Presentación de la asignatura
Conceptos fundamentales de química
Morteros de cal y yeso como materiales de construcción
Historia del cemento Portland. Problemática ambiental y producción sostenible. Alternativas al cemento Portland
Objetivos específicos:
Describir los objetivos y funcionamiento del curso, la metodología docente y las normas de evaluación.
Establecer los conceptos fundamentales de química que se considerarán sabuts.
Dar herramientas al alumnado que no haya hecho química en el bachillerato para que pueda adquirir los
conceptos mencionados.
Describir las principales características de los morteros de cal y yeso utilizados en construcción.
Hacer un repaso de los hechos más significativos en la historia del cemento Pórtland, tanto desde el punto de
vista científico como tecnológico.
Describir brevemente los retos que marcarán los próximos años de la industria cementera.
Tema 02. Fabricación del cemento Portland
Dedicación: 14h 23m
Grupo grande/Teoría: 2h
Grupo mediano/Prácticas: 2h
Grupo pequeño/Laboratorio: 2h
Aprendizaje autónomo: 8h 23m
Descripción:
Estructura atómica. Tabla periódica. Enlace químico. Sólidos
Materias primas. Etapas del proceso de fabricación. Emisiones de gases. Técnicas de análisis para el control del
proceso
Dosificación y preparación de las mezclas
Uso de arcillas para la fabricación de materiales cerámicos en construcción
Determinación de los parámetros de red de compuestos cristalinos a partir de los datos obtenidos por un
software de simulación de DRX
Objetivos específicos:
Repasar los conceptos de química necesarios para el seguimiento del tema.
Conocer las características de las materias primas empleadas para la fabricación del cemento Portland, así como
los principales aspectos relativos al proceso de producción.
Aprender a calcular la composición adecuada de la mezcla de materias primas para la fabricación de un cemento.
Conocer las características y propiedades de los materiales cerámicos
Conocer el tipo de información que permite obtener la técnica de Difracción de Rayos X
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Tema 03. Formación del clínker del cemento
Portland
Dedicación: 21h 36m
Grupo grande/Teoría: 5h
Grupo mediano/Prácticas: 4h
Aprendizaje autónomo: 12h 36m
Descripción:
Diagramas de fases de dos componentes
Problemas de diagramas de fases de dos componentes
Entalpía. Ley de Hess
Componentes del cemento. Estructura de fases. Reacciones del proceso de clinkerización.
Influencia de los elementos minoritarios.
Cálculo de la entalpía de formación del clinker
Objetivos específicos:
Aprender a interpretar la información de un diagrama de fases en sistemas de dos componentes
Resolver problemas a partir de lo aprendido en la sesión anterior
Repasar los conceptos de química necesarios para el seguimiento del tema.
Aprender cuáles son los procesos químicos que transforman las materias primas en un clinker de cemento
Estudiar la influencia de los elementos minoritarios presentes en las materias primas en las reacciones de
clinkerización.
Determinar la energía necesaria para la formación del clinker
Tema 04. Hidratación del cemento Portland
Dedicación: 12h
Grupo grande/Teoría: 4h
Grupo mediano/Prácticas: 1h
Aprendizaje autónomo: 7h
Descripción:
Reacciones de hidratación. Termodinámica de las reacciones de hidratación.
Etapas en el desarrollo de la microestructura. Técnicas de monitorización de la hidratación.
Determinación por calorimetría del calor de hidratación de un cemento
Objetivos específicos:
Estudiar los mecanismos y las fuerzas impulsoras de las reacciones de hidratación de un cemento
Conocer las diferentes etapas en la hidratación de un cemento, así como las técnicas experimentales que
permiten hacer el seguimiento de la hidratación
Calcular el calor de hidratación de un cemento
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Tema 05. Microestructura de la pasta de cemento Dedicación: 16h 48m
hidratada
Grupo grande/Teoría: 3h
Grupo mediano/Prácticas: 2h
Grupo pequeño/Laboratorio: 2h
Aprendizaje autónomo: 9h 48m
Descripción:
Componentes de la pasta de cemento hidratada. Estructura de fases. Estructura del CSH. Estructura de las fases
de Al y Fe.
Influencia de los elementos minoritarios.
Técnicas de caracterización de la microestructura. Determinación de la relación Ca / Si.
Objetivos específicos:
Describir la estructura y las propiedades de los diferentes compuestos de hidratación de un cemento.
Conocer cómo la presencia de diferentes elementos minoritarios puede modificar las propiedades de los
compuestos de hidratación.
Aprender a utilizar diferentes técnicas experimentales para caracterizar y cuantificar la microestructura de una
pasta hidratada.
Tema 06. Propiedades físico-químicas y
mecánicas de las pastas de cemento
Dedicación: 16h 48m
Grupo grande/Teoría: 4h
Grupo mediano/Prácticas: 1h
Grupo pequeño/Laboratorio: 2h
Aprendizaje autónomo: 9h 48m
Descripción:
Introducción a las propiedades de los materiales de construcción
Problemas de propiedades de los materiales de construcción
Porosidad y permeabilidad. Calor de hidratación. Tiempo de inicio y final de toma. Resistencia mecánica.
Retracción. Ensayos y especificaciones.
Objetivos específicos:
Conocer las propiedades más importantes en la caracterización de los materiales de construcción
Aprender a calcular, a partir de los resultados experimentales, el valor de las propiedades más importantes en los
materiales de construcción
Conocer las propiedades que caracterizan normativamente un cemento, así como los ensayos para su
determinación y los valores que establece la normativa actual para cada una de ellas.
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Tema 07. Durabilidad y fenómenos de
degradación
Dedicación: 36h
Grupo grande/Teoría: 9h
Grupo mediano/Prácticas: 6h
Aprendizaje autónomo: 21h
Descripción:
Reacciones ácido-base.
Mecanismos de transporte. Durabilidad química. Carbonatación. Descalcificación. Reacción álcali-sílice. Ataque
por sulfatos. Acción del agua de mar
Durabilidad física. Resistencia al fuego. Cristalización de sales. Acción de los ciclos hielo-deshielo.
Uso de metales en construcción
Aceros. Tipos y características.
Diagramas Fe-C.
Corrosión. Reacciones de oxidación-reducción. Tipos de corrosión. Métodos de protección
Técnicas de medición de la corrosión
Objetivos específicos:
Repasar los conceptos de química necesarios para el seguimiento del tema.
Describir los principales fenómenos químicos que causan la degradación de un cemento
Describir los principales fenómenos físicos que causan la degradación de un cemento
Conocer los principales materiales metálicos utilizados en construcción, así como sus características y
aplicaciones
Conocer los diferentes tipos de aceros, así como sus características y aplicaciones
Aprender a determinar la microestructura y las propiedades de un acero a partir de su diagrama de fases
Conocer los principios químicos de los fenómenos de corrosión, así como los métodos más utilizados para su
prevención
Conocer los principales parámetros de medida de la corrosión en construcción, así como su determinación
numérica
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Tema 08. Otros cementos
Dedicación: 21h 36m
Grupo grande/Teoría: 4h
Grupo mediano/Prácticas: 1h
Grupo pequeño/Laboratorio: 4h
Aprendizaje autónomo: 12h 36m
Descripción:
Cementos de características especiales
Cementos con adiciones
Cementos de aluminato de calcio
Normativa de cementos RC-08
Estudio de caso a partir de la visualización de un vídeo y de la información proveniente de diversas fuentes
Objetivos específicos:
Conocer los tipos de cementos adecuados para diferentes aplicaciones específicas
Estudiar los tipos de cementos formados por un % variable de clinker Portland y diferentes adiciones
Estudiar las características, propiedades y aplicaciones de los cementos de aluminato de calcio
Conocer los aspectos prinicipales de la normativa de cementos RC-08
Analizar las causas de degradación de un material en un caso real
Evaluar el impacto económico y social de las decisiones técnicas
Tema 09. Sostenibilidad y nuevos materiales
cementíceos
Dedicación: 12h
Grupo grande/Teoría: 3h
Grupo mediano/Prácticas: 2h
Aprendizaje autónomo: 7h
Descripción:
Eficiencia energética en la producción del clínker de cemento. Combustibles alternativos. Materias primas
alternativas. Captura y almacenamiento de CO2.
Problemas de sostenibilidad
Nuevos ligantes cementíceos
Objetivos específicos:
Conocer los aspectos más importantes en la introducción de criterios de sostenibilidad ambiental en la producción
de cementos
Determinar la eficiencia energética de un procés.
Calcular el volumen de emisión de gases contaminantes en la fabricación de un cemento
Describir brevemente las últimas innovaciones en la formulación de ligantes hidráulicos
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Tema 10. Retención y liberación de
contaminantes en sistemas cementíceos
Dedicación: 16h 48m
Grupo grande/Teoría: 2h
Grupo mediano/Prácticas: 3h
Grupo pequeño/Laboratorio: 2h
Aprendizaje autónomo: 9h 48m
Descripción:
Definición y mecanismos de lixiviación.
Ensayos de lixiviación
Establecimiento de valores límite de emisión. Predicciones a largo plazo.
Estudio de caso
Objetivos específicos:
Definir el concepto y los principales mecanismos de lixiviación y su importancia ambiental
Conocer los principales tipos de ensayos para determinar el potencial de lixiviación de un material
Aprender los criterios utilizados para la determinación de valores límite de emisión de contaminantes y de
predicciones a largo plazo
Conocer, a través de un ejemplo práctico, cómo se realiza el estudio de mecanismos de retención de
contaminantes
Sistema de calificación
Se calificarán 3 actividades de síntesis (AS) que se llevarán a cabo las semanas 5, 10 y 15 del cuatrimestre (esta
distribución puede cambiar en función del calendario). El peso de cada actividad de síntesis será el siguiente:
AS1 20%
AS2 20%
AS3 50%
El 10% restante se evaluará en base a los informes obligatorios y personales que se deben entregar después de cada una
de las prácticas de laboratorios.
La calificación final se obtendrá a partir de la siguiente expresión:
Calificación Final = 0.20*AS1+0.20*AS2+0.50*AS3+0.10*Calificación de Laboratorio
Criterios de calificación y de admisión a la reevaluación: Los alumnos suspensos en evaluación ordinaria que se hayan
presentado regularmente a las pruebas de evaluación de la asignatura tendrán opción a realizar una prueba de
reevaluación en el periodo fijado en el calendario académico. La calificación máxima en el caso de presentarse al examen
de reevaluación será de cinco. En el caso de ausencias justificadas durante el periodo de evaluación ordinaria que hayan
impedido realizar exámenes de parte de los contenidos de una asignatura, y con aprobación previa del Jefe de Estudios
de la titulación, el alumno podrá recuperar en el examen de reevaluación tanto aquella parte de la asignatura que no ha
sido previamente evaluada como aquella que haya sido suspendida. La limitación en la calificación máxima no se aplicará
a las partes evaluadas por primera vez.
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Normas de realización de las actividades
Si no se realiza alguna de las actividades de laboratorio o de evaluación continua en el periodo programado, se
considerará como puntuación cero.
Es requisito indispensable para aprobar la asignatura haber realizado las prácticas de laboratorio (sesión presencial y
sesión no presencial) y haber entregado el informe correspondiente y haber realizado la actividad 0 que se propondrá en
el aula.
Bibliografía
Básica:
Petrucci, R. H.; Harwood, W. S.; Herring, F. G. Química general. 8a ed. Madrid: Pearson Prentice Hall, 2003. ISBN
9788420535333.
Whitten, K.W.; Davis, R.E.; Peck, M.L. Química general. 5a ed. Madrid: McGraw-Hill, 1999. ISBN 8448113861.
Butler, I. S.; Grosser, A. E. Problemas de química. Barcelona: Reverté, 1976. ISBN 9788429170849.
Fernández Cánovas, M.. Hormigón. Madrid: Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, 2007. ISBN 9788438003640.
Pardo, P. Apunts específics de l'assignatura. Apunts Campus digital,
Callister, W.D. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales. 2a ed. México, DF: Limusa Wiley, 2009. ISBN
9786075000251.
Ministerio de Fomento. RC-08 : instrucción para la recepción de cementos : con los comentarios de los miembros de la
Comisión Permanente del Cemento. Madrid: Ministerio de Fomento, 2008. ISBN 9788449808364.
Complementaria:
López Cancio, J. A. Problemas de química. Madrid: Prentice Hall, 2000. ISBN 8420529958.
Masterton, W.L.;Hurley, C. N. Química: principios y reacciones. 4a Edició. Madrid: Thomson, 2003. ISBN 8497321006.
Olba, A. Química general : equilibri i canvi. Valencia: Universidad de Valencia. Servicio de publicaciones, 2007. ISBN
9788437068435.
Paraira, M., Parejo, C. Introducción a la formulación y nomenclatura química inorgánica-orgánica : normas I.U.P.A.C..
Barcelona: Vicens Vives, 1988. ISBN 8431614358.
Ruiz, A. ... [et al.]. Química general. Madrid: McGraw-Hill, 1994. ISBN 8448119479.
Teijón, J. M. ... [et al.]. La Química en problemas. 2a ed. Tébar, 2006. ISBN 8473602269.
Mehta, P. K. Concrete: structure, properties and materials. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1986. ISBN 0131671154.
Neville, Adam M. Properties of concrete. 4th and final edition. Harlow, Essex: Longman, 1995. ISBN 0582230705.
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