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 Introducción a la Ingeniería Civil 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 Introducción a la Ingeniería Civil 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 Elaborado por: Ing. Sergio j. Navarro Hudiel Introducción a la Ingeniería Civil Materiales y suelos 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 Elaborado por: Ing. Sergio j. Navarro Hudiel Introducción a la Ingeniería Civil 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 Elaborado por: Ing. Sergio j. Navarro Hudiel Introducción a la Ingeniería Civil Materiales y suelos 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 Elaborado por: Ing. Sergio j. Navarro Hudiel Introducción a la Ingeniería Civil Materiales y suelos 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 Introducción a la Ingeniería Civil Materiales y suelos 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) Elaborado por: Ing. Sergio j. Navarro Hudiel