Universidad de El Salvador Facultad Multidisciplinaria de Occidente. Ingeniería de Materiales. Ing. Carlos Ernesto Guerrero Cortez. UNIDAD I: INTRODUCCIÓN INGENIERÍA MATERIALES. 1.1. LOS MATERIALES EN INGENIERIA Los materiales son la sustancia que componen cualquier cosa o producto. Desde el comienzo de la civilización, los materiales junto con la energía han sido utilizados por el hombre para mejorar su nivel de vida. Como los productos están fabricados a base de materiales, éstos materiales se encuentran en todas partes alrededor nuestro. La producción de nuevos materiales y el proceso de éstos hasta convertirlos en productos acabados, constituye una parte importante de nuestra economía actual. Los ingenieros diseñan la mayoría de los productos facturados y los procesos necesarios para su fabricación, puesto que la producción necesita de materiales, los Ingenieros deben conocer las propiedades de los materiales, de modo que sean capaces de seleccionar el más apropiado para cada aplicación. En la construcción de obras civiles tales como: Edificios, carreteras, puentes, etc. es necesario utilizar “Materiales de Construcción” que cumplan con ciertos requisitos de calidad. Para controlar estos requisitos de calidad, los Ingenieros responsables de éstas obras exigen que a estos materiales se les practique “Pruebas de Laboratorio” utilizando procedimientos sistematizados en base a normas internacionales que rigen este control (ASTM, AASHTO). Conociendo los resultados de éstas pruebas y haciendo una adecuada interpretación de los mismos, se puede predecir con bastante aproximación si éstos materiales de construcción garantizarían un comportamiento confiable para ser utilizados en la construcción de dichas obras, de lo contrario se desechan. En la industria en general existe una serie de procesos industriales para que a partir de la materia prima (materiales), se fabriquen un sin número de productos tales como: Acero, aluminio, cemento, cal, agregados, vidrio, plástico, asfalto, entre otros, y que para las empresas industriales responsables, estos son los “productos iniciales” que ofrecen al mercado. 1 Universidad de El Salvador Facultad Multidisciplinaria de Occidente. Ingeniería de Materiales. Ing. Carlos Ernesto Guerrero Cortez. De la misma manera existen otras empresas(pueden ser en algunos casos las mismas empresas que diseñan y construyen obras civiles ), que a partir de éstos productos ya fabricados los retoman como materia prima es decir como “materiales” y los convierten en “nuevos productos” tales como: Vigas macomber, vigas de acero de alma llena(diversos perfiles), tubos de acero, polines, puertas, balcones, ventanas, láminas(cubiertas), alambre de amarre, clavos, concreto premezclado, concreto hecho en obra, mortero, cemento asfáltico, vigas de concreto, bloques de concreto, adoquines, baldosas, tubos de concreto, tubos de pvc, ladrillo, andamios, etc. etc. Por su puesto que para que éstos “nuevos productos” sean fabricados, éstas empresas necesitan a su vez otros productos o materiales que provengan de otras empresas con la misma naturaleza, para que en conjunto con aquellos “productos iniciales” puedan terminar de convertirlos en estos “nuevos productos”. Así mismo pueden existir productos que fabricados en la misma línea de estos “nuevos productos”, no necesiten de aquellos “productos iniciales” para su fabricación. En la industria de la construcción de obras civiles, de infraestructura, físicas, de ingeniería o como se les prefiera llamar a las obras tales como: Urbanizaciones, edificios, carreteras, puentes, pasos a desnivel múltiples, pistas de aeropuertos, puertos, presas, drenajes, canales, abastecimientos de agua potable, alcantarillados para agua lluvia, alcantarillados para agua negra, muros, diques de tierra, etc. etc., se necesitan de estos “Productos Iniciales” como también de estos “Nuevos Productos” a su vez se necesitan de otros productos que no están contemplados en estas denominaciones, para la construcción de estos tipos de obras. Por lo tanto, en la industria de la construcción de obras civiles se puede decir de una manera general, que para construir estos tipos de obras, se necesitan “Materiales de Construcción” y que todos los productos ya mocionados, llámense Productos Iniciales o Nuevos Productos y otros más, y que al ser utilizados para 2 Universidad de El Salvador Facultad Multidisciplinaria de Occidente. Ingeniería de Materiales. Ing. Carlos Ernesto Guerrero Cortez. construir este tipo de obras, quedarán incluidos todos, bajo un mismo calificativo de “Materiales de Construcción”. Una obra civil, de construcción, de infraestructura, física o de ingeniería, como se les prefiera llamar, se puede definir de una manera sencilla como una obra conformada por múltiples componentes o productos a base de materiales, cuyo fin es contribuir al desarrollo socio económico de un país. De aquí surge una pregunta importante ¿Por qué construir una obra de este tipo?. La respuesta a esta interrogante se plantea básicamente en una necesidad, necesidad de que….. de vivienda, de comercio, de industria, religiosa, etc. teniendo clara la necesidad, luego se examina la capacidad, teniendo definidas la necesidad y capacidad luego viene la formulación del proyecto (diseño y presupuesto) y por ultimo su ejecución (la construcción), y es justo en la etapa de construcción que se deben utilizar “Materiales de Construcción” que cumplan con ciertos requisitos de calidad de acuerdo al tipo e importancia de la obra. Por su puesto que a la hora de construir, también debe haber un control de calidad de los procesos constructivos (supervisión), para que esto sumado con el control de calidad de los propios materiales, conjuguen un gran objetivo que es obtener una obra: ► Segura. ► Funcional. ► Económica. Para lograr que se cumplan estos tres aspectos, se necesita de la Ingeniería Civil y específicamente para el control de la calidad de los materiales de construcción y de los procesos constructivos con estos materiales, se necesita de la INGENIERIA DE MATERIALES. Por lo que a ésta última la podemos definir así: INGENIERIA DE MATERIALES: Rama de la ingeniería Civil que trata sobre el estudio de los materiales de construcción (ensayar, identificar, seleccionar, tratar) y 3 Universidad de El Salvador Facultad Multidisciplinaria de Occidente. Ingeniería de Materiales. Ing. Carlos Ernesto Guerrero Cortez. de los procesos constructivos con estos materiales, dentro de una obra de Ingeniería. Entonces podemos ratificar diciendo que en la industria de la construcción de obras civiles, se reconocen diversos “Materiales de Construcción”, entre los más comunes están: Estructural Perfiles → H, L, C, etc. → Para vigas de carga y más. De refuerzo → liso y corrugado: Para polines, reforzar concreto y mas. ► Acero Industrial → Lámina, tubos, clavos, alambre de amarre y otros: Para puertas y mas. ► Aluminio → Para ventanas, para cubiertas, para encielado, etc. ► Plástico → PVC, Para tubos → En la obra se usa el tubo ya elaborado, para drenajes. ► Cemento Hidráulico → En sus diferentes tipos, para morteros y concretos. ► Asfalto (Cemento asfáltico, emulsiones asfálticas etc.) → para sellar y para concreto asfáltico. ► Cal hidratada → para algunos morteros y para tratar suelos. NOTA: Los anteriores son considerados como productos Industriales para la Industria en general, que se les llamó “Productos iniciales”, pero para los propósitos que se utilizan en la industria de la construcción dentro de una obra civil, se constituyen como “Materiales de Construcción”. Los “Nuevos Productos” que con estos productos iniciales se elaboran como los que se indican, se constituyen también como “Materiales de Construcción”, como ya se dijo, pues además, en muchos casos son elaborados por las mismas empresas responsables de las mismas obras civiles (incluyendo otros materiales: electrodos, pintura, chapas, acero, etc.). Así mismo existen materiales que se obtienen de forma natural y que puestos en el sitio de una obra a construir, se constituyen en materiales de construcción, como por ejemplo: ► Piedra → Grande, cuarta y mas ► Agua ► Grava →No 0 (para grout), No 1, No 2, No3. ► Tierra → Tierra blanca, tierra amarilla, pómez. 4 Universidad de El Salvador Facultad Multidisciplinaria de Occidente. Ingeniería de Materiales. Ing. Carlos Ernesto Guerrero Cortez. ► Arena → Gruesa, media y fina. ► La madera → Rolliza y labrada. NOTA: A la piedra cuarta, la grava y la arena se les llama “Agregados”, pueden obtenerse de manera natural en los ríos, pero también pueden obtenerse mediante la trituración de la piedra natural en canteras, por lo que también se consideran productos industriales (Productos Iniciales) Con estos materiales naturales o triturados, junto con algunos productos industriales “Productos Iniciales” ya citados, se pueden obtener algunos de los “nuevos productos” ya mencionados y otros más, para ser utilizados en el proceso de una obra civil, tales como: ■ Encofrados y andamios: Madera, alambre de amarre, clavos y otros ■ Pasta: Mezcla de cemento y agua. ■ Mortero: Pasta más arena. ■ Concreto: Mortero más grava y en algunos casos aditivos químicos. ■ Piedra ligada con mortero. ■ Suelo Cemento: Mezcla de tierra (TB, TA), cemento y agua. IMPORTANTE: A los materiales grava, arena y piedra se les llama AGREGADOS, por lo que el nuevo producto llamado “concreto” se dice comúnmente en el ámbito de la construcción, que está compuesto por dos componentes: Finos → arena: pasa malla No 4 y se retiene en malla No 200 Agregados Gruesos→ Grava No 0 (Grout), No 1, No2, No 3 CONCRETO Pasta Cemento Pórtland → diferentes tipos Agua NOTA: A la pasta se le agrega en algunos casos “aditivos” para inducir propiedades deseables. Puede decirse que estos otros “nuevos productos”, que acabamos de señalar, también se constituyen como materiales de construcción, además con ellos pueden elaborarse otros nuevos productos a su vez y en un nivel más avanzado dentro del proceso constructivo de una obra, como por ejemplo: Bloques de concreto, adoquines, baldosas, tubos de concreto, celosías, ladrillo etc. y que aún todavía son considerados como materiales de construcción, pero que a estos últimos se les prefiere llamar “Elementos o Unidades Constructivas”. 5 Universidad de El Salvador Facultad Multidisciplinaria de Occidente. Ingeniería de Materiales. Ing. Carlos Ernesto Guerrero Cortez. Y así sucesivamente con estos productos de primero y subsiguiente nivel, pueden elaborarse otros con un nivel aún más avanzado dentro del mismo proceso constructivo de una obra, y que debido a su complejidad necesitarán de diversos productos industriales (Productos Iniciales) y de nuevos productos ya elaborados con estos productos iniciales, para poderse conformar, como por ejemplo se citan: a) Productos de concreto reforzado (Concreto simple y acero de refuerzo), tales como: Zapatas, columnas, tensores, soleras, vigas, losas, voladizos, muros de carga, a los cuales se prefiere llamar “Elementos Estructurales”. b) Productos de mampostería (Elementos o unidades constructivas y mortero), tales como: paredes repelladas y no repelladas, adoquinados, pisos y más. También se incluyen muros de contención a base de piedra y mortero, empedrados fraguados a base de piedra cuarta y mortero. A todos estos productos suele llamárseles “Obras de Mampostería”. c) Techos: A base de acero estructural e Industrial, cubiertas, encielados y más. d) Otros. FINALMENTE: A la integración de todos los productos, llámense Productos Iniciales, Nuevos Productos de nivel básico, Nuevos Productos de nivel superior al básico, Elementos constructivos, Elementos estructurales, obras de mampostería, Techos y otros, dan como resultado la conformación total de una “OBRA DE INGENIERIA”. 1.2. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION Una clasificación de las propiedades de los materiales de construcción en la ingeniería se ofrece en la tabla siguiente. En general, la determinación de cualesquiera o todas estas propiedades pueden constituir el tema del ensayo de Ingeniería. Sin embargo, la mayor parte de la labor del laboratorio de ensayos de materiales ordinario se relaciona con las propiedades mecánicas. 6 Universidad de El Salvador Facultad Multidisciplinaria de Occidente. Ingeniería de Materiales. Ing. Carlos Ernesto Guerrero Cortez. Clasificación de las propiedades de los materiales Propiedades físicas: Propiedades Mecánicas: Propiedades Físico/Químicas: - Dimensiones. - Forma. - Densidad. - Porosidad. - Contenido de humedad. - Peso volumétrico. – Fragilidad, ductilidad. – Compresión, cortante, flexión. – Tenacidad y dureza. – Elasticidad y plasticidad. – Desgaste. . - Contracción y dilatación por cambio de temperatura. - Acción hidrorepelente e hidroabsorvente. Propiedades Térmicas: - Calor, expansión y conductividad. Propiedades Químicas: - Oxidación, Acidez y Corrosión 1.3. ENSAYO DE LOS MATERIALES El ensayo de los materiales puede efectuarse con uno de tres objetivos como meta: a) Aportar información rutinaria acerca de la calidad de un producto o material, este se conoce como ensayo de calidad o de control. b) Recabar información nueva o mejor acerca de materiales conocidos o desarrollar nuevos materiales, esto se conoce como ensayo de investigación. c) Obtener medidas exactas de las propiedades fundamentales, esto se conoce como ensayo de medición científica. En nuestro caso nos enfrascaremos en el primer objetivo, haciendo énfasis en el papel importante que juegan los laboratorios responsables de realizar las pruebas a los materiales de construcción, para controlar la calidad. Se puede decir que los laboratorios deben ser los encargados de realizar responsablemente todo un estudio sistematizado de los materiales mediante ensayos, con el propósito de obtener resultados que al ser interpretados apropiadamente se establezcan las conclusiones y recomendaciones que ayuden a predecir con bastante aproximación el comportamiento de estos materiales. Este estudio servirá de base para que los responsables del diseño y ejecución de obras de ingeniería, puedan tomar decisiones sobre su utilización. Por lo tanto, en nuestro caso podemos decir que el gran objetivo del ensayo de los materiales de construcción es “Ayudar a predecir o garantizar el desempeño deseado de los materiales en condiciones de servicio”. No obstante, en la 7 Universidad de El Salvador Facultad Multidisciplinaria de Occidente. Ingeniería de Materiales. Ing. Carlos Ernesto Guerrero Cortez. selección de materiales para la construcción, los problemas de calidad del material, uso del material y diseño de la estructura se interactúan. La calidad de los materiales de construcción es un tema que debe asumírsele con toda la seriedad por parte de los responsables de las obras de ingeniería, pues la función principal de estos materiales consiste en desarrollar resistencia, rigidez y durabilidad adecuada al servicio para el cual fueron concebidos. Estos requerimientos definen en gran parte las propiedades que los materiales deben poseer y, por lo tanto determinar a grandes rasgos la naturaleza de los ensayos que se deben efectuar en los materiales. La apreciación completa del significado de los ensayos de materiales de construcción requiere, por lo general, algún acervo de conocimientos de las propiedades generales de los materiales. En términos generales tanto los fluidos como los sólidos son materiales de construcción en la Ingeniería y cuyas propiedades hay que descubrir por medio del ensayo de materiales. En nuestro caso nos enfrascaremos a los ensayos de materiales de construcción sólidos. Para el control de calidad de los materiales de construcción se requiere hacer uso de un laboratorio de pruebas de materiales, auxiliándose de guías de ensayo muy bien sistematizadas con énfasis en las normas internacionales (ASTHO, ASTM y otras) que rigen este control, tanto para el procedimiento como para el equipo de laboratorio. De una manera sencilla se puede decir que el estudio para el control de calidad de los materiales de construcción utilizando un laboratorio de pruebas, consiste en: ►Elegir muestra representativa (mediante un adecuado muestreo). ► Metodología normada. ► Realizar ensayo. ► Obtener resultados. ► Estudio e interpretación de resultados. ► Recomendaciones. ► Decidir sobre su utilización. 8 Universidad de El Salvador Facultad Multidisciplinaria de Occidente. Ingeniería de Materiales. Ing. Carlos Ernesto Guerrero Cortez. Entenderemos por muestra a: Cantidad de un material, representativa del lugar o del lote de interés, necesaria para realizar todas las pruebas de laboratorio según el propósito, y puedan repetirse aquellas pruebas cuyo resultado sea dudoso. A continuación se presentan los ensayos de los materiales de construcción que se realizan comúnmente en nuestro medio y que son los que se pretenden realizar en nuestro caso. 1- Acero de refuerzo: a) Prueba de tensión. 4)-Mortero b) Prueba de doblado. a) Fabricación. 2- Agregados: b) Fluidez. a) Granulometría. c) Prueba de compresión. b) Gravedad específica. 5) Concreto: c) Pesos volumétrico, suelto y varillado. a) Dosificación. d) Absorción de agua. b) Revenimiento. e) Contenido de humedad. c) Resistencia a la flexión. f) Resistencia al desgaste. d) Resistencia a la compresión. g) Equivalente de arena. 6)- Suelo cemento: h) Sanidad. a) Compresión de cilindros. i) Impurezas orgánicas en arenas. b) Flexión en vigas. 3) Cemento Pórtland: 7) - Madera: a) Peso específico o gravedad específica. a) Prueba de tensión. b) Finura. b) Prueba de compresión. c) Tiempo de fraguado. 8)- Asfalto: d) Consistencia. a) Viscosidad b) Punto de reblandecimiento. c) Penetración. d) Destilación. e) Punto de inflamación. 9 Universidad de El Salvador Facultad Multidisciplinaria de Occidente. Ingeniería de Materiales. Ing. Carlos Ernesto Guerrero Cortez. 1.4. SELECCIÓN DE LOS MATERIALES Entre los criterios que deben tomarse en cuenta en la selección de los materiales, se pueden citar: ► La serviciabilidad en sentido amplio. ► Fuente de obtención → Cantera, río, banco, etc. ► Laboratorio que realiza los estudios. Conociendo las propiedades de los materiales, por acervo de conocimientos y verificadas mediante el ensayo, se tiene la capacidad para seleccionarlos. Como ya se dijo que en nuestro caso que el gran objetivo del ensayo de los materiales de construcción es “Ayudar a predecir o garantizar el desempeño deseado de los materiales en condiciones de servicio”. Pero que no obstante, en la selección de materiales para la construcción, los problemas de calidad del material, uso del material y diseño de la estructura se interactúan. Debe advertirse de paso, que un buen material y el diseño correcto de la estructura no puede hacer otra cosa que garantizar que la construcción de una obra en particular resultará satisfactoria dentro de los límites del uso asignado. En la selección de los materiales, el diseñador dispone de dos fuentes, de las cuales puede obtener información. a) El conocimiento y los antecedentes de desempeño de los materiales en servicio real. b) Los resultados de los ensayos realizados para aportar datos sobre el desempeño. A continuación se presenta un resumen de las consideraciones involucradas en la selección de materiales en lo relativo a los problemas de diseño y construcción. a) Clase de materiales disponibles. b) Propiedades de varios materiales. c) Requerimiento de servicio de los materiales. d) Economía relativa de varios materiales y varias formas de un material particular. e) Métodos de preparación o fabricación de varios materiales o productos y la influencia de los procesos sobre sus propiedades. 10 Universidad de El Salvador Facultad Multidisciplinaria de Occidente. Ingeniería de Materiales. Ing. Carlos Ernesto Guerrero Cortez. f) Métodos de especificación y su relación con la dependabilidad del producto logrado. g) Métodos de ensayo e inspección y su significación con respecto a las medidas de las propiedades deseadas. 1.5. ESPECIFICACIONES DE LOS MATERIALES Una especificación es el intento de parte del consumidor para decirle al productor lo que desea. Obviamente, la habilidad y exactitud con que algo puede especificarse depende del grado de conocimiento relacionado con ello y la precisión con que sus cualidades puedan determinarse. A medida que el arte y la ciencia del ensayo avanzan, del mismo modo la base para la preparación de especificaciones adecuadas se mejora. Hubo un tiempo en que se acostumbraba especificar meramente una marca dada, o igual el desempeño anterior y la integridad del productor era la única garantía de la calidad potencial. 1.6. INSPECCION DE LOS MATERIALES Aunque las funciones se empalmen, es deseable distinguir entre ensayo del material como tal, y la inspección. Especialmente, el ensayo se relaciona con la realización física de las operaciones para determinar las medidas cuantitativas de ciertas propiedades. La inspección cubre la observación de los procesos y productos de fabricación o construcción con el propósito de garantizar la presencia de las cualidades deseadas. En muchos casos la inspección puede ser enteramente cualitativa e involucra solamente la observación visual de la corrección de las operaciones o dimensiones, la detección de defectos superficiales, o posiblemente la indicación de la presencia o ausencia de condiciones indeseables tales como la humedad o la temperatura excesivas. 11 Universidad de El Salvador Facultad Multidisciplinaria de Occidente. Ingeniería de Materiales. Ing. Carlos Ernesto Guerrero Cortez. Por otra parte, la inspección puede implicar la realización de ensayos complicados para averiguar si los requerimientos de las especificaciones han sido satisfechos. 12
