Materiales y suelos - Máster Sergio J. Navarro Hudiel

Introducción a la Ingeniería Civil
Materiales y suelos
Materiales y suelos
Materiales de construcción
Son aquellos que integran una obra; algunos se encuentran en estado
natural (Arena y piedra cantera) y otros necesitan un proceso industrial
para su uso (Cemento, acero). Los materiales sirven para garantizar la
seguridad a la intemperie de los factores ambientales. Un material por si
solo no es útil, Este tiene que cumplir funciones tales como:
Física: Este es un cuerpo útil para algo, esta función tiene factores que
va a cumplir la necesidad como térmica, hídrica, acústica, óptica, etc.
Económica: Facilidad de obtención, transporte y costo de acuerdo a su
uso y mantenimiento.
Plástica: referido a las formas, dimensiones, textura y color del material.
Mecánica: Referido a la resistencia del material.
Constructiva: Uso adecuado a su laborabilidad, técnicas, equipos y
herramientas apropiadas. Todo ello referido a la conjugación del
material con su forma arquitectónica, investigaciones, pruebas y
ensayos del mismo.
Para el estudio de un material debemos de tomar sus características
físicas y mecánicas así como el factor tiempo debido al uso del mismo.
Clasificación de los materiales de construcción
Aglomerantes: Agua, resina, barro, arcilla, soldadura, mortero, cal,
yeso, epoxis (tipo de resina sintética, dura y resistente, utilizada para la
fabricación de plástico).
Resistentes: Acero, piedra, concreto (hormigón), madera, plástico.
Auxiliares: Vidrio, PVC (Poli cloruro de vinilo), aluminio, pintura,
ladrillos, azulejos.
Según el orden pueden ser:
Cimentación: concreto, acero, madera, material selecto (Bajo contenido
de arcilla, alto de arena y poco limo).
Estructuras: Madera, acero, concreto, zinc.
Cubiertas: Plycem, gypsum, zinc, laminas troqueladas.
Elaborado por: Ing. Sergio j. Navarro Hudiel
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Materiales y suelos
Muros y divisiones: madera, plycem, covintec.
Pisos y cimientos: Azulejo, cerámica, mortero, asfalto.
Puertas y ventanas: Terminaciones, acabado, sellador.
Instalaciones eléctricas e hidrosanitarias: Tubo PVC, conduit, codos,
lámparas, tubería galvanizada, lavamanos.
Pruebas realizadas a los materiales de construcción
Acero: Resistencia a la tensión. (La longitud comercial del acero es de
20 pie y el numero que se vence es múltiplo de 1/8 por lo que: 1 es
equivalente a 1/8, 2 es equivalente a ¼, 3 es equivalente a 3/8, y así
hasta 8 que seria el equivalente de 1 Pulgada)
A los agregados finos y gruesos se les determina el peso unitario de
un agregado (árido) que es la relación entre el peso de una determinada
cantidad de este material y el volumen ocupado por el mismo,
considerando como volumen al que ocupan las partículas del agregado y
sus correspondientes espacios ínter granulares.
Hay dos valores para esta relación, dependiendo del sistema de
acomodamiento que se le haya dado al material inmediatamente antes
de la prueba; la denominación que se le dará a cada uno de ellos será
Peso Unitario seco suelto (PVSS) y Peso Unitario seco compacto (PVSC).
Ambos sirven para establecer relaciones entre volúmenes y pesos de
estos materiales.
Estos pesos están expresados por las formulas siguientes:
PVSS = (Kg/m3) = ((Peso del material suelto + peso del recipiente) –
Peso del recipiente)/ Volumen del recipiente
PVSC = (Kg/m3) = ((Peso del material Compacto + peso del recipiente)
– Peso del recipiente)/ Volumen del recipiente
También los Pesos Unitarios nos sirven para determinar el porcentaje de
huecos existente en el árido
Elaborado por: Ing. Sergio j. Navarro Hudiel
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Materiales y suelos
Determinación del contenido de humedad de los materiales o
áridos (Materiales rocosos naturales)
El contenido de humedad se define como la cantidad de agua presente
en los materiales este se expresa como la relación en porcentaje de su
peso seco de la Face sólida.
% Humedad = (Wh-Ws)/Ws*100 donde:
Wh: Peso de muestra húmeda.
Ws. Peso de la muestra seca.
Ejemplo: Calcule el porcentaje de humedad presente en el suelo si el
peso de la tara mas material húmedo es de 172gr y después de ser
sometido al horno por 24 horas es de 168.7 gr.
Solución:
Wh = 172 gr.
Ws= 168.7 gr.
% humedad = (172 gr.-168.7gr)/168.7gr = 1.96 %
Determinación del análisis granulométrico de los agregados
gruesos finos
Consiste en determinar la distribución de los tamaños que tienen los
agregados, lo que desempeña un papel muy importante en las
dosificaciones de mortero y concreto.
a)
Determinación del análisis granulométrico del agregado fino
(arena)
Tamices correspondientes a la graduación fina.
Tamices
3/8
No.
No.
No.
No.
No.
No.
No.
4
8
16
30
50
100
200
Abertura libre
Pulgadas
0.3748
0.1870
0.0937
0.0468
0.0232
0.0116
0.0058
0.00295
de tamiz
Milímetros
9.52
4.75
2.38
1.19
0.59
0,297
0.149
0.075
Porcentajes retenidos parciales = Peso retenido parcial por tamiz/ Peso
seco total x 100
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Análisis granulométrico de la arena
Tamiz
Peso
%
Retenido
Retenido
en
cada Parcial
tamiz
3/8"
No. 4
No. 8
No. 16
No. 30
NO. 50
NO. 100
NO. 200
Pasa No. 200
Suma
Porcentaj Porcent Especificacion
e
aje que es
Retenido pasa
% Que pasa
acumulad
o
100
95 -100
80 -100
50-85
25-60
10-30
2-10
0-2
Modulo de finura. El módulo de finura es un índice del tamaño medio
de las partículas que componen una muestra de árido y se calcula con la
formula siguiente: Sumatoria de lo porcentajes retenidos acumulados
desde el tamiz 3/8" hasta el tamiz No. 100 dividido entre 100.
b)
Determinación del análisis granulométrico del agregado
Grueso (grava)
Tamices correspondientes a la graduación Gruesa
Tamices
Abertura libre de tamiz
3"
2.5"
2"
1.5"
1"
3/4"
1/2"
3/8"
1/4"
No.4
No.8
Pulgadas
3
2½
2
1½
1
0.7677
0.5000
0.3748
0.25
0.1870
0.0937
Milímetros
76.2
63.5
50.8
38.1
25.4
19.1
12.7
9.52
63.5
4.75
2.38
Análisis granulométrico de la Grava
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Tamiz
Materiales y suelos
Peso
%
Retenido
Retenido
en
cada parcial
tamiz
Porcentaje %
retenido
pasa
acumulado
que
1 1/2"
1"
3/4"
1/2"
3/8"
1/4"
No.4
N0.8
Pasa No. 8
Suma
Los Requerimiento de graduación para agregado grueso son:
Tamaño
Nominal
Valores mas finos que las mallas de laboratorio, porcentaje que
pasa
2"
1½“
1”
1 ½ " a NO. 10
4
0
90a 100 --
1" a No. 4
3/4 " a No.4
1/2" a No.4
3/8" No. 4
100
¾”
½”
35 a 70 -
95a 100
90
100
3/8"'
N0.4
No.8
No.
16
10 a 30 O a 5
25 a 60
a 20 a 55
90a 100 40 a 70
100
85a 100
O a 10
O a 10
O a 15
10 a 30
0a5
0a5
0a5
O a lO O a 5
Determinación de ka gravedad específica y el porcentaje de
absorción de los materiales
La absorción que es la que mide la cantidad de agua expresada en %
del peso del material seco que es capaz de absorber un material, y
depende directamente de la porosidad de los materiales y de la
intercomunicación de sus poros. La absorción es la capacidad de un
material de atraer el agua a sus poros. Esta nos ayuda a fijar la cantidad
de agua en la dosificación de los morteros y hormigones hidráulicos, ya
que a demás del agua necesaria para hidratación de los aglomerantes
hay que adicionar la que absorberán los agregados, de lo contrario,
faltaría agua para las reacciones de hidratación y fraguado.
La gravedad especifica es la relación en peso que existe entre una
cantidad determinada de árido seco y el peso de un volumen igual de
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agua; considerando el volumen del árido a la suma de la parte sólida
más el de los poros.
En las arenas el peso específico o densidad real varía entre 2.5 y 2.7, las
arenas húmedas con igual volumen aparente pesan menos que las secas
debido a que se recubren de una película de agua que la hace ocupar
mayor volumen, el 20% con un 6% de agua y por consiguiente dejan
mayor espacio de huecos. El volumen de huecos de una arena natural
oscila entre el 26% de mínimo para las arenas de granos iguales y el
55% para las de granos finos.
Con granos esféricos gruesos iguales, apilados según un cuadrado, es
decir que cada esfera sea tocada por otras seis tiene un 47.6% de
huecos. Si se apilan según un tetraedro es decir tocada por doce esferas
da un 26% de huecos. Si en esta posición se colocan agregados finos
tendremos una arena muy compacta que tendrá aproximadamente ^ de
granos gruesos y Vi de finos obteniéndose una compacidad del 92%
teóricamente en la práctica no se alcanza más que el 50 al 70% y en los
huecos de arena es donde deberá alojarse el aglomerante.
El volumen de huecos se puede encontrar llenando un recipiente con
arena sin comprimir y midiendo la cantidad de agua necesaria para
colmar dicho recipiente. Con más exactitud se hace llenando su peso
específico con un volumenómetro o con una proveta graduada en la que
se vierte agua hasta una seña, vertiendo después con cuidado un peso
dado en arena y viendo el volumen desplazado, dividiendo el peso por el
volumen tenemos el peso específico.
Si en una vasija se mezclan volúmenes iguales de agua y arena seca
una parte de agua llenará los espacios entre los granos de arena y el
exceso quedará sobre la superficie de la arena. Si la cantidad de agua
varía siempre que sea suficiente para llenar los espacios entre los
granos de arena el efecto en la arena será el mismo, variando
solamente la cantidad de agua en exceso que cubre la arena. Al palpar
la arena se sentirá áspera (esté seca o mojada) sin que parezca haber
sido afectada por el agua.
Esta puede calcularse con la expresión:
GE (Gravedad especifica) = Peso material /Volumen Aparente; Volumen
aparente = Volumen Sólido +Volumen de Poros
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Determinación de la resistencia al desgaste por cargas abrasivas
(Desgaste debido a la fricción)
El método mas utilizado es el de la maquina de Los Ángeles, este
ensayo consiste en medir la resistencia que ofrece los agregados
gruesos debido a la abrasión por lo cual se introduce dentro de un
cilindro metálico la muestra de árido y además unas esferas de acero
(47.6 mm. de diámetro y un peso entre 390- 495 grs.), las que
constituyen la carga abrasiva que tiende a destruir el material. La
maquina tiene un contador de revoluciones las cuales dependerán del
tipo y peso de la muestra.
La carga abrasiva normales son menor de 40% y una carga abrasiva
fuerte es menor que 32%. Es imprescindible que los áridos usados en la
construcción tengan una adecuada resistencia a la abrasión que
garantice la no reflexiva fragmentación durante su uso.
El porcentaje se puede calcular con la formula siguiente:
%desgaste= (peso inicial-peso final)/peso inicial*100
*EL peso es el que resulta de ser tamizado por la malla numero 12
Determinación de la consistencia normal del cemento
El objetivo de este ensayo es determinar la cantidad de agua
correspondiente a la denominada pasta de consistencia normal. La
consistencia normal se expresa mediante la relación en peso entre la
cantidad de agua y cemento en porcentaje, cuando a una pasta de
cemento previamente, moldeado penetra 10 +- 1mm un embolo de
diámetro 10 mm. La consistencia de los cementos normales esta entre
20-30%. Si en los ensayos no logramos establecer una penetración de
diez debemos interpolar colocando en el eje de ordenadas (y) el
porcentaje de agua y en las abscisas (x) la penetración.
Determinación del tiempo del fraguado del cemento hidráulico
por método de la aguja de VICAT
El tiempo de fraguado inicial determina el período de tiempo, desde el
amasado de la pasta, en el cual esta se encuentra en un estado que
permite ser moldeada con relativa facilidad sin que se alteren
considerablemente sus propiedades físicas y químicas.
Elaborado por: Ing. Sergio j. Navarro Hudiel
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El tiempo de fraguado final es el período de tiempo, medido desde el
amasado de la pasta, hasta el momento en que debido a las reacciones
de hidratación esta tiene la consistencia de un material sólido.
El tiempo de fraguado inicial y final dependen principalmente de tos
siguientes factores: Composición mineralógica del cemento, finura de
molido del mismo, relación agua/cemento de la mezcla, temperatura a
que se encuentran los materiales en el momento de la fabricación de la
mezcla, temperatura ambiente y humedad relativa.
El tiempo de fraguado inicial, es el tiempo desde el inicio de elaboración
de la pasta hasta que la aguja de vicat de diámetro 1 mm marque una
penetración de 25 mm.
El tiempo de fraguado final es el tiempo transcurrido desde el inicio que
el agua se agrega al cemento hasta que la aguja de vicat de diámetro 1
mm, no deje huella apreciable sobre su superficie (O a 3 mm).
Determinación de la resistencia a la compresión de morteros de
cemento y de concreto
El cemento debe cumplir con requisitos de resistencia a la compresión
las cuales están normalizadas en las especificaciones ASTM, para tal
efecto se debe de realizar mortero en proporción 1:2.75, y estos deben
de cumplir como mínimo:
Edad (días) Resistencia (lb./Pulg2)
3
1800
7
2800
28
4000
Resistencia a la compresión = Carga máxima /Área del espécimen (lb.
/Pulg2 o PSI)
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