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Escuela Técnica Raggio
Especialidad de Construcciones
Materia: Química Aplicada
Trabajo Práctico 6
MATERIALES: FUNDAMENTOS Y CLASIFICACIÓN
IMPORTANTE: Responder únicamente a las consignas que se piden en cada caso,
atendiendo a la redacción, la ortografía y la prolijidad (independientemente de si se
entrega manuscrito o digital). Si se envían las respuestas en foto, por favor numerar las
páginas para poder seguir un orden en la corrección. No olvidar aclarar nombre
completo, materia y curso. No enviar las consignas.
Leer atentamente la CLASE 6 y completar:
Parte A: Fundamentos y clasificación de los materiales
1. ¿Cuáles son las dos características fundamentales que mantienen los materiales?
Explicar brevemente cada una.
2. ¿Cuál es la diferencia entre material y sustancia?
3. Describir la clasificación general de los materiales.
4. ¿Cuáles son las características que debe cumplir un material, según el INTI
(Centro de Desarrollo de Materiales)?
5. Marcar con una X cuáles de las siguientes opciones pueden considerarse
materiales, según el INTI:
a. ___ agua líquida
b. ___ hielo
c. ___ piedra caliza
d. ___ PVC
e. ___ yeso de París
f. ___ magnetita
g. ___ acero inoxidable
h. ___ arena
6. ¿Qué debe ocurrir para que se forme un enlace químico? Describir brevemente
las características de los enlaces químicos que se conocen.
7. ¿Qué son las interacciones intermoleculares? ¿Cuáles se conocen en la
actualidad?
Parte B: Materiales de unión
8. ¿Para qué se utiliza el yeso?
9. ¿Para qué se emplea el mortero?
10. ¿Qué ventajas presenta el hormigón armado en comparación con el hormigón
corriente?
11. ¿Qué diferencia hay entre los materiales aglomerantes y los materiales
conglomerantes? Pon un ejemplo de cada uno de ellos.
12. ¿Qué es un material compuesto? Cita al menos tres ejemplos de materiales
compuestos.
13. ¿Para qué se utiliza la cal hidráulica en la actualidad? Investigue.
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CLASE 6
MATERIALES
1. GENERALIDADES
Para dar una definición de lo que es un material, primero debe entenderse cómo es que
está conformado. Lo primero es que un material está compuesto por elementos,
generalmente los elementos químicos encontrados en la naturaleza y representados en la
tabla periódica de elementos químicos. Sin embargo, esto no es todo, en los materiales
estos elementos están relacionados por una composición química definida. Un ejemplo
muy sencillo es la sal común, su fórmula química es NaCl, lo que significa que hay un
átomo de sodio (Na) por cada átomo de cloro (Cl) y es la única forma de obtener este
compuesto.
El último factor importante de un material es la disposición de estos elementos, es decir,
su estructura. Los materiales están caracterizados por tener una estructura, determinada
y única, si esta cambia, cambiarán las características del material y por lo tanto se
hablará de este como una variación o como otro material distinto.
En ciencia e ingeniería de materiales, existe además otra distinción para los materiales,
y es que deben tener un uso específico, si no es así, entonces se les denomina
únicamente sustancia. Por ejemplo, el agua (H2O) en estado líquido es una sustancia,
pero al enfriarse y convertirse en hielo, se puede usar como un material de construcción,
por lo tanto, esta misma agua solidificada, al tener un uso práctico, se le considera un
material.
En resumen, los materiales están formados por elementos, con una composición y
estructura única y que, además, pueden ser usados con algún fin específico.
Los materiales se clasifican de forma muy general en:
METÁLICOS: incluyen los metales puros y sus aleaciones
CERÁMICOS: sólidos, inorgánicos y no metálicos
POLÍMEROS: sólidos fundamentalmente orgánicos
MATERIALES COMPUESTOS: mezclas de los anteriores en forma sólida
consolidada
Sin embargo, esta clasificación no es única, pues los materiales se pueden dividir por su
estructura, por sus propiedades físicas y químicas, por sus usos en industrias específicas,
etc.
Para complementar esta información, el Centro de Investigación de Desarrollo de
Materiales del INTI (Instituto Nacional de Tecnología Industrial) complementa la
información así:
MATERIAL es la sustancia o mezcla de sustancias de que está constituido cualquier
objeto. Desde el punto de vista tecnológico debe cumplir con las siguientes
características:
a. Ser generalmente sólido a la temperatura de utilización
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b. De origen natural o sintético; y de naturaleza inorgánica, orgánica o mixta
c. Con frecuencia es un producto industrial que responde a determinadas
especificaciones, con una caracterización específica de su estructura y de sus
propiedades.
d. A veces se fabrica el material y en una segunda etapa el producto final (ej:
aluminio); otras veces el proceso es único y no puede desglosarse (ej: ladrillos).
e. Con él se elaboran objetos destinados a toda clase de aplicaciones, tanto
productos finales como intermedios o componentes destinados a integrar todo
tipo de sistemas.
f. Su comportamiento en servicio debe ser tal que en períodos de tiempo
relativamente largos no sufra alteraciones importantes en su composición, su
estructura y sus propiedades.
2. MATERIALES PUROS
Existen muchos materiales que pueden encontrarse en la naturaleza en su estado puro.
Estos se encuentran clasificados y ordenados en la Tabla Periódica.
La distribución de los elementos en la tabla periódica proviene del hecho de que los
elementos de un mismo grupo poseen la misma configuración electrónica en su capa
más externa. Como el comportamiento químico está principalmente dictado por las
interacciones de estos electrones de la última capa, de aquí el hecho de que los
elementos de un mismo grupo tengan propiedades físicas y químicas similares. Cabe
señalar, además de los elementos naturales, se han agregado elementos sintéticos
producidos en laboratorio.
En los materiales, el tipo de enlace químico determina una gran cantidad de sus
propiedades. El orbital más externo llamado capa de valencia, determina cuántos
enlaces puede formar un átomo. Para que se forme un enlace se requiere:
Que las capas de valencia se pongan en contacto; por esto debe ser el orbital más
externo.
Que haya transferencia o compartición de electrones en las capas de valencia de
ambos átomos.
Existen tres diferentes tipos de enlace considerados energéticamente fuertes: el enlace
iónico, el covalente y el metálico. Existen además las llamadas fuerzas de atracción
débiles o interacciones intermoleculares.
ENLACE IÓNICO
Para que pueda darse este enlace, uno de los átomos debe ceder electrones y, por el
contrario, el otro debe ganar electrones, es decir, se produce la unión entre átomos que
pasan a ser cationes y aniones. El ejemplo típico es el cloruro de sodio, en donde para
formarse, el sodio debe ceder un electrón al cloro, quedando un sodio con carga neta
positiva y un cloro con carga neta negativa (Figura 2.1).
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ENLACE COVALENTE
En este enlace cada uno de los átomos aporta un electrón. Los orbitales de las capas de
valencia de ambos átomos se combinan para formar uno solo que contiene a los 2
electrones (Figura 3.1.).
Tanto el enlace iónico como el covalente son los enlaces que caracterizan a los
materiales duros, como lo son las cerámicas y las piedras preciosas. El enlace covalente
también es característico del agua y el dióxido de carbono, por eso es que se requiere
una gran cantidad de energía para romper estas moléculas en sus componentes básicos.
ENLACE METÁLICO
Los átomos de los metales tienen pocos electrones en su última capa, por lo general 1, 2
ó 3. Estos átomos pierden fácilmente esos electrones y se convierten en iones positivos,
por ejemplo Na+, Cu2+, Mg2+. Los iones positivos resultantes se ordenan en el espacio
formando la red metálica.
Los electrones de valencia desprendidos de los átomos forman una nube de electrones
que puede desplazarsea través de toda la red. De este modo todo el conjunto de los
iones positivos del metal queda unido mediante la nube de electrones con carga negativa
que los envuelve (Figura 4.1.).
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Este tipo de enlace es el que permite a los metales ser materiales, por lo que pueden ser
relativamente de fácil maquinado, logrando piezas de muy diversas formas y tamaños.
Además, es el que permite a muchos de estos materiales ser buenos conductores
eléctricos.
INTERACCIONES INTERMOLECULARES
Este tipo de enlaces se caracteriza por que la distancia entre los átomos es más grande,
se encuentran las fuerzas de London, Van der Waals y los puentes de hidrógeno. Estas
interacciones es son las que permiten cierta cohesión en sustancias como el agua o que
le dan a ciertos materiales propiedades eléctricas. A diferencia de los otros enlaces, este
es más común observarlo en moléculas y no tanto para átomos. Por ejemplo, en el agua
las interacciones más importantes son los puentes de hidrógeno (Figura 5.1), que son
los responsables de propiedades como el estado de agregación, su punto de ebullición y
su capacidad para disolver una gran cantidad de sustancias.
En muchos casos, se habla de un material puro cuando este no tiene impurezas de otra
naturaleza en su estructura. Sin embargo, en realidad no existen materiales totalmente
puros, por eso se les debe asignar un porcentaje de pureza, que, por ejemplo, en metales
preciosos, les da su valor comercial.
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MATERIALES DE UNIÓN
MATERIALES AGLUTINANTES Y MATERIALES COMPUESTOS
Los aglutinantes son materiales capaces de unir fragmentos de uno o más materiales
para formar un conjunto compacto. Según la forma en que llevan a cabo la unión, se
denominan aglomerantes o conglomerantes.
● En los aglomerantes la unión tiene lugar por procesos físicos. Entre ellos
tenemos el barro, la cola, el betún, etc.
● En los conglomerantes la unión ocurre mediante transformaciones químicas.
Entre ellos tenemos el yeso, la cal y cemento.
● Los materiales compuestos son materiales que resultan de la mezcla de dos o
más materiales, con lo que se consigue que combinen sus propiedades, además
de obtener otras propiedades nuevas que no tenían los materiales por separado.
Entre ellos tenemos el hormigón, el fibrocemento, el asfalto, los plásticos reforzados
con fibra de vidrio, etc.
El yeso
Se presenta en la Naturaleza en grandes masas granulares o compactas y, en ocasiones,
en cristales en forma de flecha. Es muy blando (2 en la escala de Mohs) y muy poco
resistente a los agentes atmosféricos, por lo que su empleo queda prácticamente
restringido al interior de los edificios. El yeso proviene del mineral del mismo nombre,
y se obtiene por medio de un proceso que elimina la mayor parte de la humedad, dando
como resultado un polvo blanco y suave que se endurece o fragua al mezclado con el
agua. El yeso se suele emplear para recibir los ladrillos de los muros internos de las
construcciones, así como para recubrir los tabiques y las techumbres (operación que
recibe el nombre de enlucido). Este material proporciona unas superficies suaves y lisas
sobre las que se puede pintar y empapelar con facilidad, y se utiliza como aislamiento
térmico y acústico. También se utiliza para construir elementos prefabricados, como
planchas, paneles, molduras, etc.
El cemento
El cemento es una mezcla de yeso, piedra caliza y arcilla, que se tritura y calcina en un
horno y después se enfría y se muele para formar un polvo de color gris. Para
preparado, se añade agua al polvo de cemento y se amasa hasta conseguir una pasta
densa. La cantidad de agua que se debe añadir al cemento para conseguir la mezcla
idónea es aproximadamente la mitad del peso del cemento. A diferencia del yeso y de la
cal, el cemento raras veces se usa solo, lo habitual es utilizado en combinación con otros
materiales como arena o cal, formando aglomerados; especialmente, morteros y
hormigón. Hay distintas variedades de cemento, que pueden dividirse en naturales y
artificiales. El cemento más utilizado en la elaboración del hormigón es el cemento
Portland.
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El mortero
Es una mezcla de uno o más conglomerantes (generalmente, yeso, cal o cemento), arena
y agua. Cuando el conglomerante y la arena se amasan con agua, la mezcla da lugar a
una pasta que, después, fragua y se endurece, como consecuencia de unos procesos
químicos que se producen en ella. Según los conglomerantes empleados, el mortero
tiene diferentes propiedades y recibe distintos usos. Se emplea para unir elementos de
construcción, como piedras y ladrillos, fijar baldosas y baldosines y recubrir
exteriormente las construcciones. Los morteros de cemento pueden mejorarse
añadiéndoles otro conglomerante como la cal, o aditivos plastificantes. Con ello se
consigue que sean más trabajables, endurezcan más o menos rápidamente.
El hormigón
El hormigón está formado por una mezcla de un 55% a un 75% de materiales inertes,
como la arena y la grava; de un 25% a un 40% de un aglomerante, como el cemento, y
agua. La mezcla se hace directamente con palas o bien en hormigoneras. La proporción
entre los distintos componentes de la mezcla se elige teniendo en cuenta las propiedades
que esperan conseguirse: facilidad con la que se trabaja la mezcla, durabilidad, coste,
resistencia, etc. Se emplea tanto para construir cimientos, pilares, aceras, etc., como
también en la elaboración de prefabricados.
Hormigón armado
El hormigón resiste bien los esfuerzos de compresión pero es poco resistente a la
tracción. Para evitar este inconveniente, los pilares y las vigas de hormigón se refuerzan
con barras metálicas (denominadas armadura; la armadura de acero está compuesta por
varillas de acero corrugado de diámetros calculados previamente). Estas barras suelen
ser de acero, ya que el acero y el hormigón se dilatan y se contraen casi del mismo
modo, lo que reduce el riesgo de que se produzcan grietas.
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Cal
La cal aérea es un aglomerante aéreo, junto con el yeso. Son llamados aglomerantes
aéreos por no contener arcilla y solo fraguan y endurecen en contacto con el aire. La cal
viva es el óxido de calcio (CaO), que procede de la calcinación de rocas calizas a
temperaturas del orden de 900 °C:
CaCO3 CO2 + CaO
Este óxido de calcio, por hidratación, se convierte en hidróxido de calcio (cal apagada):
CaO + H2O Ca(OH)2
La cal apagada, en forma de pasta, endurece (fragua) lentamente en el aire, perdiendo
primero al agua y reaccionando a continuación con el dióxido de carbono existente en la
atmósfera, dando lugar a cristales de carbonato de calcio:
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O
El endurecimiento y la eliminación del agua formada en la reacción comienzan a las
veinticuatro horas después de utilizada la pasta y termina al cabo de unos seis meses.
Por lo tanto, cuando se emplea como material aglomerante en la construcción las obras
tardan demasiado tiempo en adquirir la solidez definitiva. El fraguado de la cal aérea se
verifica solo en el aire seco o con muy poca humedad; si está muy húmedo lo hace con
mucha dificultad, y dentro del agua no se realiza. Por este motivo no se puede emplear
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en obras hidráulicas. Además, durante el proceso de fraguado experimenta una
contracción, lo que da lugar a la aparición de asientos y grietas en los edificios. Todas
estas circunstancias explican la escasa utilización que en la actualidad se hace de la cal
aérea. La cal aérea es la idónea para hacer un buen acabado de estuco. Las ventajas de
este tipo de cal pueden ser muchas, como por ejemplo, es poco conductora de
temperatura comparada con el cemento por lo tanto más aislante, fungicida (no se
forman hongos), no caduca nunca incluso mejora con los años, se puede pigmentarde
una gran gama de colores, el blanco es blanco puro, gana pureza con los años y sobre
todo acabados de muy diferentes texturas, incluso brillante como mármol pulido.
La cal hidráulica
Proviene de rocas calizas con cierta cantidad de arcilla. En el transcurso del proceso de
calcinación de la caliza, al llegar a los 900 ºC se forman óxido de calcio (CaO), dióxido
de silicio (SiO2) y alúmina (Al2O3), que a temperaturas más elevadas reaccionan dando
lugar a silicatos y aluminatos que, junto con el hidróxido de calcio, constituyen el
aglomerante llamado cal hidráulica. Las reacciones de fraguado de esta cal son bastante
complejas y transcurren lentamente. Además, una vez fraguada, su resistencia mecánica
es pequeña. Se emplea en el enlucido de paredes, revoques y revestimientos. La cal
hidráulica es una cal que contiene impurezas de arcilla de más del 15%, endurece
incluso dentro del agua. Es un tipo de cal que se empleaba antes de la aparición del
cemento para morteros, cimentaciones y obras hidráulicas.
BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA
“MATERIALES. Introducción a su estudio desde un punto de vista funcional. Programa
Prociencia (CONICET, 1996)” (FERRÉ O., VINUÉ R.)
Universidad de Guanajuato, México–División Ingenierías–Campus
Guanajuatohttp://www.dicis.ugto.mx/profesores/balvantin/documentos/Ciencia%20de%
20Materiales%20para%20Ingenieria/Tema%201%20-%20Conceptos%20Basicos.pdf
Docentes:
Construcciones 4to 1ra
Christian Rumi (rumic@escuelaraggio.edu.ar)
Construcciones 4to 2da
Ari Juanicó (arijuanico@escuelaraggio.edu.ar)
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