MATERIALES COMPUESTOS_2023_1

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Materiales Poliméricos 
y Materiales 
compuestos
2021-1
Polímeros
La materia está formada por moléculas . Los polímeros se producen por 
la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas 
monómeros que forman cadenas de las formas más diversas. 
Existen polímeros de origen natural, sin embargo, la mayor parte de los 
polímeros que usamos en nuestra vida diaria son materiales sintéticos 
con propiedades y aplicaciones variadas. 
Son ampliamente utilizados en el sector de la construcción debido a la 
facilidad de procesamiento el poco peso, resistencia y durabilidad
Existe una gran variedad de polímeros usados en la construcción pero los 
más utilizados son el PVC, PS, PU, y PE (alta y baja densidad)y PP
Más del 50% de los plásticos utilizados en la construcción se reducen 
únicamente a PVC, de ahí la gran importancia de este polímero.
Ventajas
Durables y resistentes:
• A la corrosión, por ello se aplican en elementos que 
están expuestos al aire libre pudiendo durar décadas.
Aislantes: 
• Tanto de frío como del calor, lo cual permite el ahorro 
de energía, y también aislantes acústicos. 
Muy ligeros: 
• Frente a otros materiales usados en la construcción, 
siendo así manejables y fáciles de transportar y 
almacenar, tienen buena relación costo / beneficio
Tipos de 
polímeros y 
aplicaciones en 
ingeniería civil: 
PVC 
(Policloruro de 
vinilo)
Características Fundamentales 
• Versatilidad, ligero, resistente a la intemperie, 
• Alta tenacidad (soporta altos requerimientos mecánicos), 
• Fácil instalación, 
• Resistente a la abrasión, al impacto, y a la corrosión, 
• Buen aislante térmico, eléctrico y acústico, 
• Resistente a la mayoría de los reactivos químicos
Aplicaciones del PVC. 
• Membranas para impermeabilizar suelos, cañerías tanto de 
domicilios como públicos. 
• Recubrimiento aislante de cables, cajas de distribución, 
enchufes. 
• Recubrimiento de paredes, techos, piscinas. Ø Revestimiento 
para suelo
Ventajas y 
Desventajas 
PVC
• Muy versátil se pueden fabricar con muchos aditivos que 
modifiquen sus características. 
• Excelente resistencia química 
• Buen aislante eléctrico 
• Buen aislante acústico 
• Resistencia al rozamiento 
• Bajo costo 
Ventajas
• Degradación térmica
• Cambia de color por efecto de los rayos UVA
Desventajas
Poliuretano (PU) y Poliestireno (PS) 
Características del Poliuretano
• Resistente a la corrosión, Flexibilidad, ligero, no 
tóxico, alta resistencia a la temperatura, 
propiedades mecánicas y productos químicos. 
• Su uso en construcción se basa como materiales 
de aislamiento e impermeabilizantes, en 
cubiertas . 
Características del Poliestireno
• Baja conductividad térmica, gran capacidad 
aislante (térmico), resistencia a la compresión, 
alto poder de amortiguación, fácil de trabajar y 
manipular, estabilidad a bajas temperaturas y 
soporta también altas temperaturas (tuberías de 
agua fría y caliente)
• Su aplicación en la construcción se basa 
fundamentalmente en su empleo como 
aislamiento térmico (cubiertas), en tuberías, y en 
encofrados para muros de concreto.
Polietileno (Alta y Baja Densidad)
Polietileno de alta densidad
• Revestimiento de cables, 
tubería para gas, telefonía, 
agua potable.
Polietileno de baja densidad
• Revestimiento para suelos, 
recubrimiento de obras en 
construcción (cobertores de 
seguridad), mangueras, 
tuberías para riego.
Polipropileno 
(PP)
 Es el más ligero de todos los materiales plásticos buenas
propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas. Alta temperatura de
reblandecimiento, óptima resistencia química, a la abrasión,
impermeable, larga vida útil.
 Aplicaciones
 Tuberías e instalaciones de agua fría y caliente, cajas de
 electricidad, enchufes, sacos y bolsas para cargar cemento y arena y
otros materiales granulados o en polvo.
 Membranas para cubiertas
 Fibras de refuerzo
Propiedades del PVC
 Para uso en desagües sanitarios, aguas de lluvia y ventilación (NTC 1087; ASTM 
D2949)
 Deben Poseer la sigla PVC
 Deben incluir el diámetro externo nominal
 Deben incluir una leyenda “sanitaria-aguas lluvias” o “ventilación”
 El material debe ser liso, de color uniforme, exento de fisuras o grietas.
 Puede ser conectado por medio de accesorios del mismo material o de material 
adecuado, mediante uniones mecánicas
Diámetros 
exteriores y 
tolerancias
Ovalamiento: diferencia entre le diámetro exterior máximo y el diámetro 
exterior mínimo
Espesores de 
pared
Presión de 
Rotura
Determinación 
de la presión 
de rotura (NTC 
3358)
 Dimensiones de los especímenes
 Para tubos de 150 mm la longitud debe ser mayor o igual a 5 veces el
diámetro externo del tubo (en ningún caso debe ser menor a 300 mm)
 Para diámetros mayores la longitud debe ser mayor o igual a 3 veces
el diámetro externo del tubo (en ningún caso debe ser menor a 760
mm)
 Se analizan cinco especímenes, libres de defectos
 Acondicionamiento preliminar a la temperatura de ensayo : 23°C +/-
2°C (este acondicionamiento se puede realizar sumergiendo el
material agua a la temperatura indicada)
 El espécimen se llena con el fluido de ensayo y se aplica presión de
manera uniforme hasta que se produzca la falla.
𝑆 =
𝑃 𝐷 − 𝑡
2𝑡
S es la presión de rotura en MPa, psi;
P es la presión interna en MPa, psi;
D es el diámetro externo del tubo, mm, pulgada
t es el espesor de las paredes del tubo en mm, pulgada
Absorción de 
agua
 Se cortan especímenes de 50 mm+/- 1 mm de 
longitud
 Se colocan en estufa a 50°C +/- 2°C por 24 horas. Se 
determina la masa seca con una precisión de 0,01 g 
(WD)
 Se sumergen los especímenes en agua a 23°C +/- 2°C 
por 24 horas
 Se retiran los especímenes del agua, se seca la 
superficie con material absorbente y se toma la masa 
en condición de material saturado superficialmente 
seco (WS)
 𝐴 % =
𝑊𝑆−𝑊𝐷
𝑊𝐷
*100
Resistencia 
Química 
(tubos 
empleados en 
conducción de 
aguas 
sanitarias-
lluvias
 Se cortan especímenes de 50 mm de longitud. Se analizan tres 
especímenes por cada sustancia.
 Se determina la masa inicial de cada espécimen (m1) y se 
sumerge en la sustancia durante 72 h( utilizando un peso si fuera 
necesario)
 Los especímenes no pueden tener contacto entre si, ni con las 
paredes del recipiente.
 Posteriormente, se retiran del recipiente se lavan con agua 
corriente, la superficie se seca con un paño absorbente.
 Pasados 120-130 minutos se toma la masa final (m2) para 
determinar la variación de masa Δm.
 ∆𝑚 =
𝑚2−𝑚1
𝑚1
*100 Los tubos no deben presentar un 
aumento de masa mayor al 0,30%
Tabla utilizada 
para la 
determinación 
de la 
resistencia 
química de 
tubos “aguas 
sanitarias-
lluvias”
Materiales 
compuestos
Es un material conformado a partir de la combinación de dos materiales con propiedades significativamente 
diferentes; de los cuales un material actúa como matriz y el otro actúa como refuerzo
Presentan buena rigidez
Presentan buena resistencia mecánica
Son resistentes a altas temperaturas
Son resistentes a la corrosión
Son materiales ligeros
Clasificación
Microscópicos
Esta clasificación se basa en la forma
de la fase dispersa. Las fibras pueden
ser aleatorias, continuas y alineadas,
discontinuas y alineados, o tejidos.
Se define una longitud de fibra crítica
(Lc) que depende del diámetro de la
fibra, de la resistencia de tensión de
las fibras y de la resistencia en la
interface fibra-matriz.
𝑙𝑐=
𝜎
𝑓
𝑑
2𝜏
𝑐
l < 15 lc discontinua
l ≥ 15 lc continua
Tipos de fibras comunes
Fibras de acero
Fibras de vidrio
Fibras sintéticas como polipropileno, carbono, nailon
Fibras naturales como madera, sisal y coco
Fase continua: matriz
 Normalmente, la matriz utilizada en la mayoría de los compuestos
microscópicos son polímeros, cerámicas o metal.
 La matriz une los materiales dispersos (partículas o fibras), les
transfiere las cargas y las protege contra ataques ambientales y
daños debidos a la manipulación.
 Las matrices poliméricastienen las ventajas de bajo costo, fácil
procesabilidad, buena resistencia química y gravedad específica baja.
 Las más empleadas son las resinas epóxicas y de poliéster
Aplicaciones 
en ingeniería 
Civil
Ejemplo de 
concreto 
reforzado con 
fibras de 
carbono
Se pueden mezclar fibras cortas (carbono, vidrio) con el concreto fresco. 
En general, las fibras aumentan la resistencia a la tracción y a la flexión del 
concreto.
Un concreto reforzado con fibras de vidrio puede llegar a presentar de dos a 
tres veces la resistencia a la flexión de un concreto no reforzado.
Micrografía obtenida con un
microscopio electrónico de barrido de
un concreto reforzado con fibras de
carbono de 3 mm de longitud. (12 %
de fibras)
Procesos 
tecnológicos Se utiliza para producir productos
como tanques de presión. Las fibras
se envuelven alrededor de una forma
o mandril para gradualmente construir
una forma hueca. El filamento puede
sumergirse en la resina de matriz de
polímero antes de enrollar, o la resina
puede impregnarse alrededor de la
fibra durante o después del bobinado.
El curado completa la producción del
material
Es la técnica de moldeo la más 
sencilla adoptada para la 
producción de artículos de material 
compuesto, es de fácil ejecución y 
económica.
Pultrusión
 Las fibras son extraídas de carretes, pasados a
través de un deposito donde se produce la
impregnación de la resina. Posteriormente pasa
aiun molde donde se le da forma y se calienta
para que la resina se endurezca. Finalmente se
corta en las dimensiones deseadas
Compuestos 
macroscópicos
Concreto de cemento portland simple
Concreto reforzado con acero
Concreto asfáltico 
• Madera laminada encolada
• Tableros estructurales.
Madera de ingeniería
Propiedades de los materiales compuestos
 Dependen de:
 Propiedades de los materiales constituyentes
 Fracciones volumétricas de mezcla
 Tipo de refuerzo y orientación
 Comportamiento de la interface fibra-matriz (adherencia)
 Las ecuaciones utilizadas en el análisis de las propiedades se basan en condiciones 
idealizadas de patrones de carga y condiciones geométricas
Hipótesis para 
el análisis
 Cada componente (fibra, matriz) es isotrópico y tiene
comportamiento lineal elástico;
 Existe una unión perfecta entre las fase dispersa (fibra) y la
fase continua (matriz);
 Se consideran dos formas de aplicación de la fuerza
(paralela o perpendicular a las fibras)
 Entre las propiedades que se ven afectadas por la
fabricación del compuesto se incluyen ductilidad,
resistencia y módulo de elasticidad.
Ductilidad y 
resistencia
 Cuando se agregan fibras a la matriz
formando un compuesto, las fibras
aumentan la ductilidad y resistencia
de la matriz.
 El aumento de ductilidad y resistencia
dependen de las propiedades de la
fibra, fracción de volumen y
orientación.
 Este concepto es útil en muchas
aplicaciones de ingeniería.
 Una de las aplicaciones estructurales
que utiliza este fenómeno es la
adición de fibras de acero al concreto.
Dado que el concreto es frágil, tiene
baja tenacidad y falla a un nivel de
deformación bajo. Cuando se agregan
fibras de acero al concreto simple y el
concreto comienza a agrietarse, las
fibras continúan soportando la carga y
la estructura no falla repentinamente
Mayor absorción de energía (tenacidad)
Mayor resistencia a la fatiga
Mayor resistencia al agrietamiento 
Mayor resistencia al impacto
 Se observa como el concreto reforzado con 
fibra es más dúctil que el concreto simple. 
 Se observa como al aumentar el contenido 
de fibras aumenta la ductilidad. 
 Se observa como al aumentar el contenido 
de fibras aumenta la resistencia a 
compresión
Determinación 
de las 
propiedades de 
compuestos 
elaborados con 
fibras largas 
unidireccionales
Para compuestos elaborados con fibras largas unidireccionales se 
consideran dos formas de aplicación de una fuerza de tensión:
Paralela a las fibras
Perpendicular a las fibras
Se considera que las fibras y la matriz 
se deforman por igual. Está condición 
se llama isodeformación
Se considera que las fibras y la matriz 
están sometidos al mismo esfuerzo. 
Está condición se llama isoesfuerzos
Isodeformación Asumiendo que la matriz y las fibras tienen la misma longitud 𝑉𝑓=𝐴𝑓𝐴𝑐𝑉𝑚=
𝐴𝑚
𝐴𝑐
𝐸𝑐ℰ𝑐 = 𝑉𝑓𝐸𝑓ℰ𝑓 + 𝑉𝑚𝐸𝑚ℰ𝑚
𝐹𝑐 = 𝐹𝑓 + 𝐹𝑚
La fuerza que actúa sobre el compuesto es 
asumida una parte por la fibra y otra por la 
matriz; luego:
Sabiendo que: 𝜎 =
𝐹
𝐴
Se despeja F=σA: 𝜎𝑐𝐴𝑐 = 𝜎𝑓𝐴𝑓 + 𝜎𝑚𝐴𝑚
Aplicando ley de Hooke, sabemos que:𝜎 = 𝐸𝜀; 
con lo cual se sustituye el esfuerzo:
Debido a que las deformaciones son iguales se cancelan 
entonces:
𝑬𝒄 = 𝑽𝒇𝑬𝒇 + 𝑽𝒎𝑬𝒎
Se divide por el área del compuesto:
𝜎𝑐 = 𝜎𝑓
𝐴𝑓
𝐴𝑐
+ 𝜎𝑚
𝐴𝑚
𝐴𝑐
La resistencia a tensión será: 𝝈𝒄 = 𝝈𝒇𝑽𝒇 + 𝝈
∗
𝒎 𝑽𝒎
La fracción de cargas soportada por las fibras será: 
𝑭𝒇
𝑭𝒄
=
𝑬𝒇
𝑬𝒄
𝑽𝒇
𝛔
∗
𝐦 es la tensión de la matriz cuando la fibra falla
Identificación 
de términos en 
isodeformación
 Fc= fuerza que actúa sobre el compuesto
 Ff= fuerza que actúa sobre la fibras
 Fm= fuerza que actúa sobre la matriz
 Ac= Área del compuesto
 Af= Área de fibras
 Am= Área de la matriz
 σc= Resistencia del compuesto
 σf= Resistencia de las fibras
 σm= Resistencia de la matriz

E
c= módulo de elasticidad del compuesto

E
f= módulo de elasticidad de las fibras

E
m= módulo de elasticidad de la matriz
 Ff/Fc= fracción de carga soportada por las fibras
 𝜎𝑚
∗ = es la resistencia de la matriz cuando las fibras fallan
 ℰ= deformaciones axiales unitarias
 Vf = fracción volumétrica de fibras
 Vm = fracción volumétrica de matriz
Regla de mezclas 
generalizada 
para la 
determinación 
de las 
propiedades 
físicas en 
isodeformación
 𝑋𝐶 = 𝑋𝐹𝑉𝐹 + 𝑋𝑀𝑉𝑀
XC es la propiedad física del compuesto en isodeformación (densidad,
gravedad específica, conductividad térmica;
Xf es la propiedad física de las fibras en isodeformación (densidad,
gravedad específica, conductividad térmica;
Xm es la propiedad física del compuesto en isodeformación (densidad,
gravedad específica, conductividad térmica;
Vf y Vm son las fracciones volumétricas de fibra y matriz
Ejemplo
1. Calcule el módulo de elasticidad de un compuesto reforzado con 
70% de fibras de vidrio al cual se le aplica una fuerza de tensión en 
la dirección paralela a las fibras. Los módulos de elasticidad de las 
fibras y de la matriz son 70,5 Gpa y 6,9 Gpa, respectivamente.
2. Si se aplica una tensión de 60 MPa sobre el material compuesto con
un área de sección transversal de 300 mm2, ¿cuál es la carga
soportada por cada una de las fases de la fibra y de la matriz?
3. Determine las deformaciones que ocurren en el compuesto si la
tensión es 60 MPa
𝐸𝑐=0,7*(70,5)+0,3*(6,9)=51,42 GPa
𝐹𝑓
𝐹𝑐
=
70,5
51,42
∗ 0,7 = 0,96
𝐹𝑐 = 300 ∗ 60 = 18000 𝑁
𝐹𝑓=18000*0,96=17280N
𝐹𝑚=18000*0,04=720N
𝜀=
60
51420
=0,00117
𝑬𝒄 = 𝑽𝒇𝑬𝒇 + 𝑽𝒎𝑬𝒎
𝑭𝒇
𝑭𝒄
=
𝑬𝒇
𝑬𝒄
𝑽𝒇
𝜎 =
𝐹
𝐴
Esfuerzo=E*def. axiales
Isoesfuerzo
ℰ𝑐 = 𝑉𝑓ℰ𝑓 + 𝑉𝑚ℰ𝑚
Las deformaciones que ocurren en el compuesto 
son la suma de las deformaciones de la fibra y de la 
matriz por sus fracciones volumétricas
ℰ=
𝜎
𝐸
Las deformaciones se despejan de la ley de 
Hooke y se sustituyen;
𝜎𝑐
𝐸𝑐
=
𝜎𝑓𝑉𝑓
𝐸𝑓
+
𝜎𝑚𝑉𝑚
𝐸𝑚
𝑆𝑒 𝑑𝑖𝑣𝑖𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 (𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜𝑠 𝑠𝑜𝑛 𝑖𝑔𝑢𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑦 𝑠𝑒 𝑐𝑎𝑛𝑐𝑒𝑙𝑎𝑛:
1
𝐸𝑐
=
𝑉𝑓
𝐸𝑓
+
𝑉𝑚
𝐸𝑚
Se despeja el módulo de elasticidad.
𝑬𝒄 =
𝑬𝒇𝑬𝒎
𝑬𝒇𝑽𝒎 + 𝑬𝒎𝑽𝒇
La resistencia transversal suele ser extremadamente 
baja y suele ser equivalente a la resistencia máxima de la 
matriz
𝝈𝒄 = 𝝈𝒎
Identificación 
de términos en 
isoesfuerzo
 σc= Resistencia del compuesto
 σm= Resistencia de la matriz

E
c= módulo de elasticidad del compuesto

E
f= módulo de elasticidad de las fibras

E
m= módulo de elasticidad de la matriz ℰ= deformaciones axiales unitarias
 Vf = fracción volumétrica de fibras
 Vm = fracción volumétrica de matriz
Regla de 
mezclas 
generalizada 
para la 
determinación 
de las 
propiedades 
físicas en 
isoesfuerzo
XC es la propiedad física del compuesto en isoesfuerzo (densidad,
gravedad específica, conductividad térmica;
Xf es la propiedad física de las fibras en isoesfuerzo (densidad, gravedad
específica, conductividad térmica;
Xm es la propiedad física del compuesto en isoesfuerzo (densidad,
gravedad específica, conductividad térmica;
Vf y Vm son las fracciones volumétricas de fibra y matriz
𝑋𝑐 =
𝑋𝑚𝑋𝑓
𝑋𝑚𝑉𝑓 + 𝑋𝑓𝑉𝑚
Compuestos 
particulados:
 Determinación del módulo de elasticidad
𝐸𝑐 =
𝐸𝑚𝐸𝑝
𝐸𝑚𝑉𝑝 + 𝐸𝑝𝑉𝑚
Em módulo de elasticidad de la matriz
Ep módulo de elasticidad de las partículas
Ec módulo de elasticidad del compuesto
Vm fracción volumétrica de matriz
Vp fracción volumétrica de partículas
Compuestos 
con fibras 
aleatoriamente 
distribuidas
𝐸𝑐 = 𝑉𝑚𝐸𝑚 + 𝐾𝑉𝑓𝐸𝑓
K es el factor de eficiencia de las fibras, disponible en la Tabla
Ejercicios propuestos
 1.- Calcule el módulo de elasticidad a la tensión de un material compuesto de plástico reforzado con fibras de carbono que 
contiene 64 por ciento en volumen de dichas fibras y es sometido a esfuerzos en condiciones de isodeformación. Las fibras de 
carbono tienen un módulo de elasticidad a la tensión de 54.0 × 106 psi y el material epóxico tiene un módulo de elasticidad a la 
tensión de 0.530 × 106 psi.
 2.- Calcule el módulo de elasticidad a la tensión de un compuesto laminado que contiene 62 por ciento en volumen de fibras de 
carbono unidireccionales y una matriz epóxica en condiciones de isoesfuerzo. El módulo de elasticidad a la tensión de las fibras 
de carbono es 340 GPa y el de la matriz epóxica es 4.50 × 103 MPa.
 3.- Calcule el módulo de elasticidad a la tensión de un material compuesto epóxico con fibras unidireccionales de Kevlar 49 que 
contiene 63 por ciento en volumen de fibras de Kevlar 49 y es sometido a esfuerzos en condiciones de isodeformación. Las 
fibras de Kevlar 49 tienen un módulo de elasticidad a la tensión de 27.5 × 106 psi y la matriz epóxica tiene un módulo de 
elasticidad de 0.550 × 106 psi.
 Si la resistencia a la tensión de las fibras de Kevlar 49 es 0.550 × 106 psi y la de la resina epóxica es 11.0 × 103 psi, calcule 
la resistencia de material compuesto
	Diapositiva 1: Materiales Poliméricos y Materiales compuestos
	Diapositiva 2: Polímeros
	Diapositiva 3: Ventajas
	Diapositiva 4: Tipos de polímeros y aplicaciones en ingeniería civil: PVC (Policloruro de vinilo)
	Diapositiva 5: Ventajas y Desventajas PVC
	Diapositiva 6: Poliuretano (PU) y Poliestireno (PS) 
	Diapositiva 7: Polietileno (Alta y Baja Densidad)
	Diapositiva 8: Polipropileno (PP)
	Diapositiva 9: Propiedades del PVC
	Diapositiva 10: Diámetros exteriores y tolerancias
	Diapositiva 11: Espesores de pared
	Diapositiva 12: Presión de Rotura
	Diapositiva 13: Determinación de la presión de rotura (NTC 3358)
	Diapositiva 14: Absorción de agua
	Diapositiva 15: Resistencia Química (tubos empleados en conducción de aguas sanitarias-lluvias
	Diapositiva 16: Tabla utilizada para la determinación de la resistencia química de tubos “aguas sanitarias-lluvias”
	Diapositiva 17: Materiales compuestos
	Diapositiva 18: Clasificación
	Diapositiva 19: Fase continua: matriz
	Diapositiva 20: Aplicaciones en ingeniería Civil
	Diapositiva 21: Ejemplo de concreto reforzado con fibras de carbono
	Diapositiva 22: Procesos tecnológicos
	Diapositiva 23: Pultrusión
	Diapositiva 24: Compuestos macroscópicos
	Diapositiva 25: Propiedades de los materiales compuestos
	Diapositiva 26: Hipótesis para el análisis
	Diapositiva 27: Ductilidad y resistencia
	Diapositiva 28
	Diapositiva 29: Determinación de las propiedades de compuestos elaborados con fibras largas unidireccionales
	Diapositiva 30: Isodeformación
	Diapositiva 31: Identificación de términos en isodeformación
	Diapositiva 32: Regla de mezclas generalizada para la determinación de las propiedades físicas en isodeformación
	Diapositiva 33: Ejemplo
	Diapositiva 34: Isoesfuerzo
	Diapositiva 35: Identificación de términos en isoesfuerzo
	Diapositiva 36: Regla de mezclas generalizada para la determinación de las propiedades físicas en isoesfuerzo
	Diapositiva 37: Compuestos particulados:
	Diapositiva 38: Compuestos con fibras aleatoriamente distribuidas
	Diapositiva 39: Ejercicios propuestos