Marzo
2015
Francisco Cedeño García
Universidad Tecnológica de Panamá
Facultad de Ingeniería Civil
Materiales de Construcción y
Normas de Ensayo
:
INTRODUCCIÓN
La materia de materiales de construcción y normas de ensayo es la mejor manera de introducir al estudiante de ingeniería civil en su campo laboral brindándole los conocimientos básicos sobre muchos aspectos hasta hoy desconocidos para el estudiante en general.
Materiales de Ingeniería
Un material es una sustancia (elemento o, más comúnmente, compuesto químico) con alguna propiedad útil, sea mecánica, eléctrica, óptica, térmica o magnética.
Clasificación de Materiales
1. Pétreos 2. Cerámicos 3. Aglomerantes 4. Metales 5. Compuestos
La servicialidad de los Materiales
La servicialidad, en un sentido amplio, es el criterio último en la elección del material. Un objeto importante de ensayo de los materiales es ayudar a predecir o garantizar el desempeño deseado de los materiales en condiciones de servicio. No obstante en la selección de materiales para la construcción de estructuras y máquinas, los problemas de la calidad del material del diseño y el uso se interrelacionan.
Que tomamos en cuenta para la Selección de los Materiales
Clases de materiales disponibles: no se puede utilizar un material que no se encuentra en el mercado.
Propiedades mecánicas: las más importantes que se deben considerar son: rigidez, resistencia, durabilidad y ductilidad.
Economía relativa de varios materiales: muchas veces existen materiales que poseen propiedades físicas similares.
Métodos de preparación o fabricación: las diversas técnicas o métodos utilizados para extraer y procesar materiales constructivos afectas las propiedades físicas de los mismos.
Factores Medioambientales: no sería correcto elegir un material escaso, o cuyo uso esté prohibido por la ley.
INSPECCIÓN DE LOS MATERIALES
La inspección es la parte cualitativa del ensayo de los materiales; aunque el inspector no puede llevar todo un laboratorio, está capacitado para interpretar lo que ve, sabe cómo afectan diversos factores o métodos de fabricación las propiedades físicas de los elementos estructurales.
Para Que se Hacen Ensayos de Los Materiales
Obtener información sobre las propiedades del material.
Descubrir y exponer nueva y más precisa información acerca de los materiales de uso común y los materiales nuevos.
Obtener medidas exactas de las propiedades físicas.
SIGNIFICADO DE LOS ENSAYOS
Un ensayo puede tener significado de dos maneras:
Puede medir adecuadamente una propiedad que sea suficientemente básica y representativa para que los resultados de los ensayos puedan usarse en el diseño.
El ensayo aun cuando sea muy arbitrario sirve para identificar los materiales que la experiencia ha comprobado que se desempeñan satisfactoriamente.
Tipos de Ensayo
Ensayos Destructivos: cuando de una estructura se extrae una probeta, afectando la resistencia de la misma. y cuando comprende la fractura de la muestra.
Ensayos no Destructivos: suelen hacer con equipos y técnicas más sofisticadas. Sin destruir la muestra.
SELECCIÓN DE MUESTRA
Las muestras destinadas a los ensayos o inspecciones deben seleccionarse y preparase para que brinden datos certeros sobre sus propiedades físicas, por lo tanto la muestra debe ser representativa. Pero, existen dos problemas involucrados en la selección de muestras:
1. El número de muestras o la frecuencia necesaria para los ensayos. 2. Establecer el procedimiento para extraer la muestra.
Agencias normalizadoras, como la ASTM han redactado procedimientos para extraer muestras, algunas son:
• C183 = muestras de cemento
• C50 = muestras de cal
• C67 = ladrillos
• C112 = muestras de azulejos.
• C140 = muestras de unidades de mampostería de concreto.
• D75 = muestras para agregados de concreto
• D143 = para madera
PREPARACION DE MUESTRAS
Permite asegurar resultados representativos material, además evita que defectos producto de la extracción del material o su selección afecten los resultados del ensayo. A continuación se presentan algunos aspectos a considerar dependiendo del tipo de muestras:
Muestras de metal: las muestras sometidas a ensayos generalmente son cortadas, perforadas o cortadas por soplete, estos procedimientos de extracción pueden dejar en la muestra ciertas imperfecciones, son estas las que hay que eliminar a fin de que no afecten el ensayo.
Muestras de concreto: deben ser modeladas en el estado plástico; deben considerarse todos los agregados y componentes del concreto o mortero; para las especificaciones sobre el moldeo existen normas como la C31 de la ASTM. Con respecto a los agregados del concreto debe prestarse atención al desbastado o trituración de la piedra, su cuadratura y llaneza, las piedras deben de tener la forma más eficaz para transmitir la carga.
Muestras de madera: deben tornease emparejarse y aserrarse para evitar desperfectos en la probeta, especialmente sobre las superficies críticas. El tamaño de la muestra depende generalmente de la pieza o el producto del cual se toma.
Además debe marcarse con total claridad los datos de las muestras antes del ensayo y después, para no confundir los resultados.
CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE APARATOS DE ENSAYO
Propósito del ensayo Exactitud requerida
Conveniencia y disponibilidad Economía.
DE QUE DEPENDEN LOS ERRORES EN LOS RESULTADOS DE LOS ENSAYOS
Los instrumentos
La experiencia de laboratorio Condiciones variables del entorno
La homogeneidad en el lote de muestras La rapidez con que se desarrollo el ensayo.
FACTORES CONSIDERADOS PARA EL DISEÑO DE LOS ENSAYOS
La naturaleza del ensayo requerido. El tipo de ensayo que puede efectuarse
La relación entre los resultados de los ensayos y el desempeño real.
Como debe ajustarse la precisión del ensayo de acuerdo a las limitaciones para lograr economía y confiabilidad.
Tipo de probeta adecuada para el ensayo.
RAZONES POR LA QUE HACEMOS NORMAS Y ESPECIFICACIONES
Permite que productor y consumidor hablen el mismo lenguaje evitando así malos entendidos al momento de ofrecer o adquirir un elemento constructivo.
El fabricante reduce sus gastos, pues la norma generaliza el producto haciéndolo más uniforme, el solo se limita a producir materiales normalizados puesto que el proceso de fabricación se hace mucho más simple o varía es constante.
El consumidor puede adquirir materiales a precios más bajos, pues estos se fabrican en cantidades industriales.
AGENCIAS ESTANDARIZADAS
American Institute of Steel Construction (AISC)
(Instituto Estadounidense de la Construcción con Acero) American Society of Testing and Materials (ASTM)
(Sociedad americana de ensayo de materiales) American Society of Mechanical Engineers (ASME)
(Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos) American National Standards Institute (ANSI)
(Instituto Nacional Estadounidense de Normas) American Gear Manufacturers Association (AGMA)
(Asociación Estadounidense de Fabricantes de Engranes) American Concrete Institute (ACI)
(Instituto Estadounidense del Concreto).
Aportes de las Agencias Estandarizadas
Normalización de las especificaciones y de los métodos de ensayos de los materiales. El mejoramiento de los materiales de ingeniería.
Formulación de prácticas recomendables que influyen en varios procesos de utilización de materiales.
Criterios de Aceptación o Rechazo de las Especificaciones de los Materiales de Construcción
1. Especificando el método de fabricación.
2. Especificando forma, dimensiones y acabados
3. Especificando las propiedades químicas, físicas o mecánicas deseadas
ERRORES EN LA ESPECIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
Puede ser tan vaga que admite materiales de calidad inferior o mayor a la necesaria.
Puede ser muy restrictiva y así excluir materiales que tal vez si cumplen con las necesidades de servicio.
VENTAJAS DE LAS NORMAS Y ESPECIFICACIONES PARA LA CONSTRUCCION
Representan el conocimiento combinado del productor y del consumidor y reducen la posibilidad de que surjan mal entendidos al mínimo
Ofrecen al fabricante una norma de producción
Reducen los costos unitarios al hacer posible la producción en masa.
Permiten a los diseñadores elegir los materiales con un grado de certezas razonables de sus propiedades
Simplifican la preparación de especificaciones
Ayudan a los consumidores a conseguir cotizaciones comparativas
PROPIEDADES MECÁNICAS
Resistencia: se mide por el esfuerzo según el cual desarrolla alguna condición limitativa específica, la terminación de la acción elástica y la ruptura.
Rigidez: tiene que ver con la magnitud de la deformación que ocurre bajo la carga.
Elasticidad: capacidad de un material de deformarse no permanentemente al retirar el esfuerzo.
Plasticidad: se usa para indicar la capacidad de deformación en el rango elástico o plástico sin que ocurra ruptura.
Capacidad energética: depende de la resistencia y la rigidez.
PLASTICIDAD
La plasticidad es aquella propiedad que permite al material sobrellevar la deformación permanente sin que sobrevenga la ruptura. Las evidencias de la acción plástica en los materiales estructurales se llaman deformación, flujo plástico y creep.
TIPOS DE ENSAYOS MECANICOS
La relación entre varios procedimientos de ensayo puede evidenciarse por medio de una clasificación ordenada de las condiciones de ensayo:
Aquellas relacionadas con la manera en que la carga es aplicada
Aquellas que tienen que ver con la condición del material o muestra mismo en el momento del ensayo
Aquellas relacionadas con la condición de los alrededores (condición ambiente) durante el progreso del ensayo, como en los estudios de exposición atmosférica.
ASPECTOS CONSIDERADOS AL ANALIZAR LA FALLA O RUPTURA
La ruptura final El desplazamiento La variación escalar La estricción
El desarrollo de grietas
1. Conceptos Básicos 1.1. Introducción
El concreto es un material semejante a la piedra que se obtiene mediante una mezcla proporcionada de cemento, arena, grava y agua. Después que esta mezcla se introduce en un formato con la forma y dimensión deseada tenemos el concreto sin refuerzo. El cuerpo del material consiste en agregado fino y grueso, el cemento y el agua interactúa de aquello que se requiere para la reacción química, con el fin de darle a la mezcla la trabajabilidad adecuada que permita llenar las formaletas y rodear el acero del refuerzo, antes de que inicie el endurecimiento.
1.2. Reseña Histórica
La historia del concreto constituye un capítulo fundamental de la historia de la construcción. Cuando el hombre optó por levantar edificaciones utilizando materiales arcillosos o pétreos, surgió la necesidad de obtener pastas o morteros que permitieran unir dichos mampuestos para poder conformar estructuras estables. Inicialmente se emplearon pastas elaboradas con arcilla, yeso o cal, pero se deterioraban rápidamente ante las inclemencias atmosféricas. Se idearon diversas soluciones, mezclando agua con rocas y minerales triturados, para conseguir pastas que no se degradasen fácilmente. Así, en el Antiguo Egipto se utilizaron diversas pastas obtenidas con mezclas de yesos y calizas disueltas en agua, para poder unir sólidamente los sillares de piedra; como las que aún perduran entre los bloques calizos del revestimiento de la Gran Pirámide de Giza. Panteón del siglo II: En la Antigua Grecia, hacia el año 500 a. C., se mezclaban compuestos de caliza calcinada con agua y arena, añadiendo piedras trituradas, tejas rotas o ladrillos, dando origen al primer hormigón de la historia, usando tobas volcánicas extraídas de la isla de Santorini. Los antiguos romanos emplearon tierras o cenizas volcánicas, conocidas también como puzolana, que contienen sílice y alúmina, que al combinarse químicamente con la cal daban como resultado el denominado cemento puzolánico (obtenido en Pozzuoli, cerca del Vesubio). Añadiendo en su masa jarras cerámicas o materiales de baja densidad (piedra pómez) obtuvieron
el primer hormigón aligerado, con este material se comenzó por construir por sobre todo tuberías e instalaciones portuarias fabricaciones las cuales se han encontrado restos hasta el día de hoy. Y en las que destacan construcciones como los diversos arcos del Coliseo romano, los nervios de la bóveda de la Basílica de Majencio, con luces de más de 25 metros, las bóvedas de las Termas de Caracalla, y la cúpula del Panteón de Agripa, de unos cuarenta y tres metros de diámetro, la de mayor luz durante siglos.
El siglo XVIII: En este siglo se reaviva el afán por la investigación. John Smeaton, un ingeniero de Leeds fue comisionado para construir por tercera vez un faro en el acantilado de Edystone, en la costa Cornwall, empleando piedras unidas con un mortero de cal calcinada para conformar una construcción monolítica que soportara la constante acción de las olas y los húmedos vientos; fue concluido en 1759 y la cimentación aún perdura.
Los factores que hacen del concreto un material de construcción universal son tan evidentes que han sido utilizadas de diversas maneras por miles de años así como las piedras materiales el concreto es un material realmente frágil con una baja resistencia a la tención comparada con la resistencia a la compresión. Esto impide su utilización económica en los elementos estructurales sometida únicamente a cargas de tensión sino refuerzo.
Para contrarrestar estas limitaciones en la segunda mitad del siglo 19 se considera factible utilizar acero para reforzar el concreto debido a su alta resistencia a la tención principalmente en aquellos sitios donde las bajas resistencias a la tención del concreto limitan la capacidad constante del elemento. El refuerzo, conformado usualmente por barras circulares con deformación superficiales apropiadas para proporcionar adherencias se coloca en formaletas antes de vaciar el concreto y cuando están completamente rodeadas por la masa de concreto comienzan a formar parte integral del elemento.
La invención del hormigón armado se suele atribuir al constructor William Wilkinson, quien solicitó en 1854 la patente de un sistema que incluía armaduras de hierro para «la mejora de la construcción de viviendas, almacenes y otros edificios resistentes al fuego». El francés Joseph Monier patentó varios métodos en la década de 1860, pero fue François Hennebique quien ideó un sistema convincente de hormigón armado, patentado en 1892, que utilizó en la construcción de una fábrica de hilados en Tourcoing, Lille, en 1895.
1.3. Conceptos de Diseño 1.3.1. Resistencia y Rigidez
El parámetro de mayores importancias para el ingeniero diseñador es la resistencia última es decir la carga máxima que la estructura o elemento puede soportar. El comportamiento de una columna por ejemplo indica dos cosas:
1- en el rango de refuerzos y deformación unitaria elevados que preceden a la resistencia ultima y a la falla subsecuente, no pueden utilizarse la relación elástica.
2- el elemento se comparte en formas diferentes cuando está sometido a cargas rápidas en comparación con cargas lentas y mostrar una mejor antes la segunda que antes la primera. La resistencia del hormigón a incrementos de carga lentos, y a cargas que permanecen durante largo tiempo actuando sobre el material, es menor que la resistencia del mismo hormigón sometido a procesos rápidos de carga y a cargas de corta duración.
La prueba estándar para medir la resistencia del hormigón, definida por ASTM (American Standards for Testing Materials), conlleva un proceso rápido de carga de cilindros, que usualmente toma menos de tres minutos para llegar a la rotura.
Los elementos reales, sometidos a cargas de compresión, sufren un proceso lento de incremento de carga durante su fase de servicio y mantienen niveles importantes de carga durante largos períodos de tiempo, por lo que, en el caso de columnas, la resistencia del hormigón a procesos de carga lenta es mucho más representativa que la resistencia estándar especificada por ASTM.
En el siguiente gráfico se presentan esquemáticamente las curvas esfuerzo-deformación de hormigones con resistencia a la rotura f’c = 210 Kg/cm2 según ASTM, sometidos a la prueba de
carga de compresión axial estándar ASTM, a pruebas modificadas de carga lenta, y apruebas modificadas de carga ultra rápida.
La resistencia a la rotura de los cilindros, sometidos a carga lenta, llega a ser aproximadamente el 85% de la resistencia del mismo tipo de cilindros sometidos a carga estándar rápida ASTM, lo que es común para todas las resistencias de hormigones. Por su parte, cuando se realizan ensayos de carga ultra rápida, la resistencia del hormigón sobrepasa a la obtenida a los ensayos ASTM.
Al diseñar elementos de hormigón armado, bajo fuerzas de compresión, es necesario tomar en consideración esta reducción del 15% en capacidad del material, por lo que la capacidad última del hormigón se deberá tomar como 0.85 f’c, y la capacidad general del material llegaría a ser solamente del 85% de la capacidad teórica fijada por los ensayos estándares. Un criterio similar podría fijarse para los elementos sometidos a flexión, pues también estos elementos se cargan lentamente, pero la diferencia entre la capacidad última de las piezas al emplear una resistencia a la rotura f’c y 0.85 f’c no es trascendente (no suele sobrepasar del 3%) por lo que, tanto el Código Ecuatoriano de la Construcción (CEC) como el ACI (American Concrete Institute) utilizan para diseño a flexión una resistencia f’c, lo que facilita considerablemente la unificación de procedimientos y factores, en flexión y en compresión axial.
1.3.2. Elasticidad e Inelasticidad
Para esfuerzos inferiores aproximadamente
El concreto prese tener un comportamiento prácticamente elástico es decir, los esfuerzos y las deformaciones unitarias se mantienen proporcionales con muy pequeño error. Se ha considerado que este rango se extiende hasta deformaciones unitarias cerca de 0.0005 por otro lado el acero parece permanecer prácticamente elásticos hasta sus puntos de fluencias equivalente una deformación unitaria de 0.0025.
En este caso los elementos resisten a las solicitaciones mediante esfuerzos axiales (paralelos a las acciones) que pueden ser de tracción o compresión, dependiendo de las acciones externas.
El hormigón es un material particularmente apto para resistir las fuerzas de compresión, pero tiene una limitada resistencia a la tracción (apenas alrededor del 10% de su resistencia a la compresión). El acero, por otra parte, es un material que se comporta eficientemente resistiendo las solicitaciones de tracción, pues alcanza toda su capacidad. El acero también puede llegar hasta el 100% de su resistencia ante solicitaciones de compresión, siempre que los elementos tengan dimensiones transversales importantes, lo que los vuelve muy costosos para nuestro medio, porque nuestro país no es productor de acero. En Norteamérica, Europa y Japón, que poseen industrias de acero altamente competitivas, el costo de los perfiles de acero puede ser comparable, y en ocasiones inferior al de otros materiales estructurales.
1.4. Materiales que producen Hormigones 1.4.1. Cemento
Un material cementante es aquel que tiene las propiedades adición y cohesión para unir agregados inertes y conforman una masa solida resistencia y durabilidad adecuada. Esta categoría tecnológicamente importante de materiales incluye no solamente el cemento sino también asfaltos y alquitranes. Para la fabricación de concreto estructural se utilizan exclusivamente los llamados cementos hidráulicos para completar el proceso químico mediante el cual el polvo del cemento fragua y se endurece hasta convertirse en una mescla solida se requiere la adición de H2O reacción
de hidratación de los diferentes cementos hidráulicos desarrollados. El más común es el cemento portland, patentado por primera vez en Inglaterra en 1824.
El cemento portland es un material finalmente por silicato de calcio y aluminio ha materias primas usuales a partir de las cuales se fabrican son: calizas que proporcionan CaO, arcillas y esquistos que proveen el SO2 y el Al2O3 respectivamente, estos materiales se mueven se mezclan, se funden
en honor hasta obtener el llamado clinker, se enfría y se muele nuevamente para lograr la finura requerida. El material es despachado a granel o en bultos que contienen 94 lb de cemento
Clinker de cemento antes de su molienda.
. Un clinker de cemento portland de tipo medio contiene:
• Silicato tricálcico (3CaO·SiO2) ... 40% a 50%
• Silicato bicálcico (2CaO·SiO2) ... 20% a 30%
• Aluminato tricálcico (3CaO·Al2O3) ... 10% a 15%
• Aluminatoferrito tetracálcico (4CaO·Al2O3·Fe2O3) ... 5% a 10%
Las dos principales reacciones de hidratación, que originan el proceso de fraguado y endurecimiento son:
2(3CaO·SiO2) + (x+3)H2O → 3CaO·2SiO2 x H2O + 3Ca(OH)2
2(2CaO·SiO2) + (x+1)H2O → 3CaO·2SiO2 x H2O + Ca(OH)2
El silicato tricálcico es el compuesto activo por excelencia del cemento pues desarrolla una resistencia inicial elevada y un calor de hidratación también elevado. Fragua lentamente y tiene un endurecimiento bastante rápido. En los cemento de endurecimiento rápido y en los de alta resistencia aparece en una proporción superior a la habitual. El silicato bicálcico es el que desarrolla en el cemento la resistencia a largo plazo, es lento en su fraguado y en su endurecimiento. Su estabilidad química es mayor que la del silicato tricálcico, por ello los cementos resistentes a los sulfatos llevan un alto contenido de silicato bicálcico. El aluminato tricálcico es el compuesto que gobierna el fraguado y las resistencias a corto. Su estabilidad química es buena frente al agua de mar pero muy débil a los sulfatos. Al objeto de frenar la rápida reacción del aluminato tricálcico con el agua y regular el tiempo de fraguado del cemento se añade al clinker piedra de yeso.
El aluminatoferrito tetra cálcico no participa en las resistencias mecánicas, su presencia es necesaria por el aporte de fundentes de hierro en la fabricación del clinker.
A lo largo del tiempo se han desarrollado cinco tipos de cementos portland. El tipo I, se ha utilizado en más del 90% de construcciones de Los Estados Unidos. Los concretos hechos con este cemento requieren generalmente dos días para alcanzar resistencia suficiente para poder retirar las formaletas y continuar construyendo, estos elementos alcanzan su resistencia de diseño después de 28 días o dependiendo del diseño y los requerimientos de la obra, a los 1, 3, 7, 14, 21, 28, 30, 50, 70, 80, 90 y 100 días.
Este tipo de cemento es de uso general, y se emplea cuando no se requiere de propiedades y características especiales que lo protejan del ataque de factores agresivos como sulfatos, cloruros y temperaturas originadas por calor de hidratación. Entre los usos donde se emplea este tipo de cemento están: pisos, pavimentos, edificios, estructuras, elementos prefabricados.
El cemento portland tipo II es utilizado para elementos con exposición moderada a los sulfatos, como por ejemplo en las tuberías de drenaje, siempre y cuando las concentraciones de sulfatos sean ligeramente superiores a lo normal, pero sin llegar a ser severas (En caso de presentarse concentraciones mayores se recomienda el uso de cemento Tipo V, el cual es altamente resistente al ataque de los sulfatos).
La Norma ASTM C 150 establece como requisito opcional un máximo de 70 cal/g a siete días para este tipo de cemento.
El cemento portland tipo III para tres cosas en que se requiere acelerar la construcción ya que desarrollan altas resistencias iniciales en poco tiempo estos son más costosos que el ordinario, pero alcanzan entre los 7 y los 14 días la resistencia del tipo I al cabo de 28 días tienen la misma composición básica que el tipo I pero ha sido mesclado de forma más cuidadosa y medida hasta obtener partículas más finas. . Su utilización se debe a necesidades específicas de la construcción, cuando es necesario retirar cimbras lo más pronto posible o cuando por requerimientos particulares, una obra tiene que ponerse en servicio muy rápidamente, como en el caso de carreteras y autopistas.
El cemento portland tipo IV genera resistencia tardía en comparación con el tipo I, se utiliza cuando por necesidades de la obra, se requiere que el calor generado por la hidratación sea mantenido a un mínimo. El desarrollo de resistencias de este tipo de cemento es muy lento en comparación con los otros tipos de cemento. Los usos y aplicaciones del cemento tipo IV están dirigidos a obras con estructuras de tipo masivo, como por ejemplo grandes presas.
La hidratación inicia en el momento en que el cemento entra en contacto con el agua; el endurecimiento de la mezcla da principio generalmente a las tres horas, y el desarrollo de la resistencia se logra a lo largo de los primeros 30 días, aunque éste continúa aumentando muy lentamente por un período mayor de tiempo.
En la fabricación del cemento se utilizan normalmente calizas de diferentes tipos, arcillas, aditivos -como el mineral de fierro cuando es necesario- y en ocasiones materiales silicosos y aluminosos. Estos materiales son triturados y molidos finamente, para luego ser alimentados a un horno rotatorio a una temperatura de 1,400 grados centígrados y producir un material nodular de color verde oscuro denominado Clinker. El cemento portland tipo V es utilizados en lugares donde la exposición a los sulfatos es severa estas pueden estar presentes en los agregados del hormigón o en el propio medio ambiente. La presencia de sulfatos junto con otros tipos de cementos provoca la desintegración progresiva del hormigón y la destrucción de la estructura interna del material compuesto
1.4.2. Agua y Aire
Cuando el cemento se mescla con el H2O para formar una pasta suave esta se rigidiza en una masa solida. Este proceso se conoce como fraguado. Luego que el concreto a fraguado comienza a ganar resistencia, las uniones químicas por el cemento en los materiales inertes (piedra y arena) generan el incremento de la resistencia en forma gradual. Este proceso se conoce como endurecimiento. El proceso químico involucrado en el fraguado y endurecimiento libera calor el que es conocido como calor de hidratación cuando funden grandes masas de concreto como el caso de presas este calor se disipa muy lentamente lo cual lleva a un incremento de la temperatura y a una exposición del volumen del concreto durante el proceso de hidratación con el enfriamiento y contracción posteriores. Para evitar el debilitamiento de la resistencia de la muestra se deben tener controles especiales contra el calor de hidratación. Durante el fraguado y primer endurecimiento del hormigón se añade el agua de curado para evitar la desecación y mejorar la hidratación del cemento.
Normalmente el agua apta suele coincidir con la potable y están normalizados una serie de parámetros que debe cumplir. Así en la normativa está limitado el pH, el contenido en sulfatos, en ión cloro y los hidratos de carbono.
Cuando una masa es excesivamente fluida o muy seca hay peligro de que se produzca el fenómeno de la segregación (separación del hormigón en sus componentes: áridos, cemento y agua). Suele presentarse cuando se vierte hormigón con caídas de material superiores a los 2 metros.
1.4.3. Agregado
Para concretos estructurales común es los agregados ocupan entre 70% y el 75% del volumen de la masa endurecida en resto está conformado por la pasta de cemento endurecido, agua no combinada (agua no utilizada en la hidratación del cemento) y vacios de aire evidentemente los dos últimos no contribuyen a la resistencia del concreto. En general, mientras más densamente puedan empaquetarse los agregados mejor se va la resistencia del concreto. Por esta razón resulta de fundamental importancia la gradación del tamaño de las partículas de los agregados. También es importante que el agregado tenga buena resistencia mecánica y química, que su superficie esté libre de impureza como arcilla o limón o materia orgánica las cuales pueden debilitar la unión de la pasta con los agregados y que no se produzca la reacción química entre los mismos. Los agregados deben poseer por lo menos la misma resistencia y durabilidad que se exija al hormigón. No se deben emplear calizas blandas, feldespatos, yesos, piritas o rocas friables o porosas. Para la durabilidad en medios agresivos serán mejores los áridos silíceos, los procedentes de la trituración de rocas volcánicas o los de calizas sanas y densas.
El agregado que tiene mayor responsabilidad en el conjunto es la arena. Según Jiménez Montoya no es posible hacer un buen hormigón sin una buena arena. Las mejores arenas son las de río, que normalmente son cuarzo puro, por lo que aseguran su resistencia y durabilidad.
Con agregados naturales rodados, los hormigones son más trabajables y requieren menos agua de amasado que los áridos de machaqueo, teniéndose además la garantía de que son piedras duras y limpias. Los áridos machacados procedentes de trituración, al tener más caras de fractura cuesta más ponerlos en obra, pero se traban mejor y se refleja en una mayor resistencia.
Si los áridos rodados están contaminados o mezclados con arcilla, es imprescindible lavarlos para eliminar la camisa que envuelve los granos y que disminuiría su adherencia a la pasta de hormigón. De igual manera los áridos de machaqueo suelen estar rodeados de polvo de machaqueo que supone un incremento de finos al hormigón, precisa más agua de amasado y darán menores resistencias por lo que suelen lavarse.
y gran proporción de agregados gruesos, precisando poca agua de amasado; su gran dificultad es conseguir compactar el hormigón, pero si se dispone de medios suficientes para ello el resultado son hormigones muy resistentes. En cuanto al contenido de granos finos, estos hacen la mezcla más trabajable pero precisan más agua de amasado y de cemento. En cada caso hay que encontrar una fórmula de compromiso teniendo en cuenta los distintos factores. Las parábolas de Fuller y de Bolomey dan dos familias de curvas granulométricas muy utilizadas para obtener adecuadas dosificaciones de agregados
1.4.4. Aditivos
Además de los principales componentes del concreto usualmente se colocan aditivos para mejorar el comportamiento del mismo existen aditivos para acelerar o retardar el fraguado y el endurecimiento para mejorar la manejabilidad para aumentar la resistencia para mejorar la durabilidad para disminuir la permeabilidad y para efectuar otras propiedades. Los aditivos deben cumplir con los requisitos de la forma A.S.T.M. C4G4 Los aditivos plastificantes son los más utilizados en nuestro medio, y permiten que la trabajabilidad del hormigón fresco mejore considerablemente, por lo que se los suele utilizar en hormigones que van a ser bombeados y en hormigones que van a ser empleados en zonas de alta concentración de armadura de hierro. Estos mismos aditivos pueden conseguir que, manteniendo la trabajabilidad de un hormigón normal, se reduzca la cantidad de agua de amasado mejorando con ello la resistencia del hormigón.
Existen aditivos superplastificantes (también se los conoce en el mercado como reductores de
agua de alto rango) que pueden convertir a un hormigón normal en un hormigón fluido, que no
requiere de vibración para llenar todos los espacios de las formaletas, inclusive en sitios de difícil acceso para el hormigón. Así mismo, si se mantiene una trabajabilidad normal, estos aditivos permiten la reducción de la relación agua/cemento hasta valores cercanos a 0.30, consiguiéndose
hormigones de mediana resistencia (entre 350 Kg/cm2 y 420 Kg/cm2) y hormigones de alta resistencia (mayores a 420 Kg/cm2).
Existen aditivos de fraguado extra rápido que se emplean en casos en que se requiera un endurecimiento y fraguado del hormigón en pocos minutos, como en la fundición de elementos dentro de cauces de ríos, en el mar o en túneles.
Los aditivos retardantes retrasan el endurecimiento inicial del hormigón, manteniendo por más tiempo su consistencia plástica. Se los suele utilizar en climas cálidos para evitar el fraguado anticipado por evaporación del agua de amasado, y en obras masivas de hormigón en que se quiere controlar la cantidad de calor emitida por el proceso de fraguado.
La aceleración o desaceleración del proceso de fraguado mediante aditivos o mediante cementos apropiados, a más de afectar la velocidad de obtención de resistencia del hormigón a corto plazo, tiene efecto sobre la resistencia del hormigón a largo plazo.
La aceleración inicial del proceso conduce a resistencias menores a largo plazo, pues el agua de curado tiene menor nivel de penetración por el endurecimiento del hormigón.
La desaceleración inicial del proceso determina resistencias mayores a largo plazo, pues el curado se vuelve más eficiente.
Hay aditivos introductores de aire que producen burbujas de aire dentro del hormigón, los que se utilizan en estructuras que están sometidas a procesos de congelamiento y descongelamiento periódico, poco frecuentes en nuestro medio (se los suele utilizar en refugios para ascencionismo). Los introductores de aire tienen como efecto colateral la disminución de la resistencia del hormigón aproximadamente en un 5% por cada 1% de burbujas de aire introducidas.
1.5. Concreto y Hormigón
Los factores que hacen del concreto un material de construcción universal son evidentes que han sido utilizados de diversas maneras por miles de años probablemente se comenzó a utilizar en el antiguo Egipto, también fue utilizado por los griegos en la comunidad de puzzoli.
Así mismo de nuevo como las piedras materiales el concreto es un material relativamente frágil, con una baja resistencia a la tención comparada con la resistencia a la compresión. Esto impide su utilización económica en elementos sometidas a tensión ya sea en toda su sección o sobre parte de la misma. Para contrarrestar esta limitación, en la segunda mitad del siglo XIX se consideró factible utilizar acero para reforzar el concreto debido a la alta resistencia a la tención, principalmente en aquellos sitios donde el concreto limitaría la capacidad del elemento.
El refuerzo conformado usualmente por barras circulares con deformación superficiales para proporcionar adherencia, se coloca en la formaletas y se vacía la masa de concreto para rodearlas completamente, una base endurecido las barras comienzan a formar parte integral del elemento. Los áridos proceden de la desintegración o trituración, natural o artificial de rocas y, según la naturaleza de las mismas, reciben el nombre de áridos silíceos, calizos, graníticos, etc. El árido cuyo tamaño es superior a 5 mm se llama árido grueso o grava, mientras que el inferior a 5 mm se llama árido fino o arena.
La pasta formada por cemento y agua es la que confiere al hormigón su fraguado y endurecimiento, mientras que el árido es un material inerte sin participación en el fraguado y endurecimiento.
El cemento se hidrata en contacto con el agua, iniciándose complejas reacciones químicas que lo convierten en un producto maleable con buenas propiedades adherentes, que en el transcurso de unas horas, derivan en el fraguado y endurecimiento progresivo de la mezcla, obteniéndose un material de consistencia pétrea.
Una característica importante del hormigón es poder adoptar formas distintas, a voluntad del proyectista. Al colocarse en obra es una masa plástica que permite rellenar un molde, previamente
construido con una forma establecida, que recibe el nombre de encofrado. 1.5.1. Propiedades del Concreto
1.5.1.1. Resistencia a la Compresión
La resistencia del hormigón se determina en muestras cilíndricas estandarizadas de 15 cm de diámetro y 30 cm de altura, llevadas hasta la rotura mediante cargas incrementales relativamente rápidas.
La resistencia característica a la compresión de un hormigón (f'c), utilizada en diseño estructural, se mide en términos probabilísticos, definiéndose que solamente un pequeño porcentaje de las muestras (normalmente el 5%) puedan tener resistencias inferiores a la especificada, lo que da lugar a que la resistencia media de las muestras (fm) siempre sea mayor que la resistencia característica.
Si se asume una distribución normalizada (campana de Gauss) de los ensayos de rotura de cilindros de hormigón, la resistencia característica puede calcularse a partir de la resistencia media y la
desviación estándar (s ), mediante la siguiente expresión:
f'c = fm - 1.65s
La resistencia a la compresión de hormigones normales (210 - 280 Kg/cm2) y de mediana resistencia
(350-420 Kg/cm2) está dominada por la relación agua/cemento (a menor relación agua/cemento
mayor resistencia) y por el nivel de compactación (a mayor compactación mayor resistencia), pero también son factores importantes la cantidad de cemento (a mayor cantidad de cemento mayor resistencia) y la granulometría de los agregados (mejores granulometrías dan lugar a mayores resistencias).
En hormigones de alta resistencia (f’c > 420 Kg/cm2), a más de los factores antes mencionados,
Uno de los requisitos más importantes que debe reunir un hormigón en zonas sísmicas es su ductilidad, lo que en nuestro medio limita la utilización de hormigones de resistencia media fm superior a 500 Kg/cm2, por ser sumamente frágiles (tienen muy poca deformabilidad en el rango de
comportamiento plástico).
1.5.1.2. Resistencia a la Tensión
Aunque el concreto se emplea de mejor manera cuando se utiliza su mejor resistencia a la compresión su resistencia a la tención también es de importancia en varias situaciones, la formación y propagación de concreto reforzado sometidos a flexión dependen principalmente de las resistencias a la tención. También ocurren esfuerzos de tención en el concreto como resultado de cortante, torsión y otras acciones, en la mayoría de las cosas el comportamiento del comportamiento del elemento cambia después del ocurrido agrietamiento.
1.5.1.3. Resistencia a la fatiga
Cuando el concreto está sometido a cargas fluctuantes en vez de cargas sometidas su resistencia a la fatiga es considerable menor que su resistencia estética. El límite de fatiga esta entre el 50% y 60% de la resistencia estética se sabe que la resistencia a la fatiga del concreto no solamente depende de la resistencia estética sino también de las condiciones de humedad, edad del concreto y velocidad de aplicación de carga.
1.5.2. Control de calidad
La calidad de materiales producidos en plantas de acero es garantizada por el productor quien practica controles de calidad sistemáticos especializados en las normas A.S.T.M. en contraste el concreto y su calidad final se ve afectada por factores que han sido discutidos en puntos anteriores. La principal medida de la calidad del concreto es su resistencia a la compresión. Los ensayos para medir esta propiedad se realizan sobre experiencias cilíndricas de altura igual a dos veces el diámetro, usualmente de 6x12 para concretos menores de 5000 lb/pulg2 y de 4x8 para concretos de
resistencia mayor a 5000 lb/pulg2. Los moldes de acero se llenan de concreto durante el vaciado
El código A.C.I especifica que deben ensayarse un par de cilindros por cada 500 pies cuadrados de área superficial colada, pero no menos de 1 vez al día.
La consistencia del concreto se mide son mayor frecuencia mediante el ensayo de asentamiento. Un molde metálico con forma de cono truncado de 12 de altura se llena cuidadosamente con concreto fresco. Una vez lleno el molde este se levanta de manera vertical y el asentamiento del concreto se mide como la diferencia de altura entre el molde y la pila de concreto. El asentamiento es una buena medida de la cantidad de agua total la mescla y debe mantenerse tan bajo como sea posible, pero sin afectar la manejabilidad del concreto. Los concretos utilizados en la construcción se realizan desde el camión mezclador hasta la formaleta por diversos medios mediante contenedores con variados de fondo con carretillas o mediante bombeo a través de conductos metálicos. El principal peligro durante el trasporte es la segregación. El vaciado es el proceso de transferir el concreto fresco del dispositivo de conducción a la formaleta. Antes del vaciado se debe se debe remover el oxido de acero, limpiar las formaletas y revisar que la misma tenga las dimensiones correctas. La compactación se logra mediante la utilización de vibradores mecánicos.
El curado se puede lograr manteniendo continuamente húmedas las superficies expuestas mediante rociado empapamiento, recubriendo con laminas plásticas o mediante la aplicación de selladores que formen una membrana impermeable que retarde la evaporación del agua.
2. Concreto Reforzado 2.1. Acero de Refuerzo
La resistencia útil como compresión de los aceros comunes es aproximadamente 15 veces la resistencia a la compresión del concreto común y más de 100 veces su resistencia a la tensión. El acero es un material mesclado más costoso resulta mejor usarlo combinado para el concreto resista la compresión y el acero la tensión.
Las barras de refuerzos de 40000 lb/pulg2 de uso estándar 25 años atrás han sido usados en su
totalidad por las de 60000 lb/pulg2 debido que estas últimas son mas económicas y tienden a reducir
la categoría de acero en las formaletas.
Las soldaduras de barras para hacer en la fabricación de entramados de refuerzos para formaletas pueden resultar en cambios metalúrgicos de resistencia y utilidad del acero
2.2. Concreto y Concreto Reforzado
La combinación de los de los dos materiales (concreto y acero), conocido como concreto reforzado combinan muchas las ventajas de cada uno, costo relativamente bajo.
a. Buena resistencia al clima y al fuego b. Resistencia a la compresión
c. Excelente capacidad del molde del concreto d. alta resistencia a la tención
Es precisamente esta combinación la que produce el casi limitado rango de uso del concreto reforzado en la construcción de edificio. Puente presas, tanques, depósitos y muchas más otras estructuras.
Las características que llevan a un comportamiento satisfactorio entre el concreto y el acero son las siguientes
Los coeficientes de expansión térmicas entre los dos materiales están suficientemente cerca para no producir agrietamiento y otras deformaciones no deseadas
La resistencia al fuego del acero por su alta conducta de técnica es un hecho que su resistencia disminuye al aumentar la temperatura mientras que el concreto es todo lo convenio de esta manera los daños por la exposición al fuego está limitado generalmente a la superficie exterior y al recubrimiento proporciona aislamiento al acero de refuerzo.
La resistencia de la corrosión del acero descubierto es pobre el concreto rodea al acero produce una excelente producción minimizando la corrosión y los costos de mantenimiento.
La resistencia al fuego del acero desprotegido se ve empeorado por su alta conductividad térmica. Un hecho que la resistencia disminuye al aumentar la temperatura, mientras que el concreto es todo lo contrario, de esta manera los daños por la exposición de fuego están limitados generalmente a la superficie exterior y el recubrimiento proporciona al acero de refuerzo.
En el hormigón armado se emplea habitualmente acero de alta resistencia de adherencia mejorada o
barras corrugadas. El corrugado está normalizado por la forma del resalto en el perímetro de la
barra, su altura, anchura y separación.
La fabricación de los elementos de concreto consta de las siguientes fases:
Colocación de Armaduras: Las armaduras deben estar limpias y sujetarse al encofrado y entre sí de forma que mantenga la posición prevista sin moverse en el vertido y compactación del hormigón. Para ello se colocan calzas o separadores en número suficiente que permitan mantener la rigidez del conjunto.
Las distancias entre las diversas barras de armaduras deben mantener una separación mínima que está normalizada para permitir una correcta colocación del hormigón entre las barras de forma que no queden huecos o coqueras durante la compactación del hormigón.
De igual manera el espacio libre entre las barras de acero y el encofrado, llamado recubrimiento, debe mantener una separación mínima, también normalizada, que permita el relleno de este espacio por el hormigón. Este espacio se controla por medio de separadores que se colocan entre la armadura y el encofrado.
Encofrado: El encofrado debe contener y soportar el hormigón fresco durante su endurecimiento manteniendo la forma deseada sin que se deforme. Suelen ser de madera o metálicos y se exige que sean rígidos, resistentes, estancos y limpios. En su montaje deben quedar bien sujetos de forma que durante la consolidación posterior del hormigón no se produzcan movimientos.
Antes de reutilizar un encofrado debe limpiarse bien con cepillos de alambre eliminando los restos de mortero que se hayan podido adherir a la superficie. Para facilitar el desencofrado se suelen aplicar al encofrado productos desencofrantes, estos deben estar exentos de sustancias perjudiciales para el hormigón.
Colocación y Compactación: El vertido del hormigón fresco en el interior del encofrado debe efectuarse evitando que se produzca la segregación de la mezcla. Para ello se debe evitar verterlo desde gran altura, hasta un máximo de dos metros de caída libre y no se debe desplazar horizontalmente la masa.
Para conseguir un hormigón compacto, eliminando sus huecos y para que se obtenga un completo cerrado de la masa, hay varios sistemas de consolidación. El picado con barra, que se realiza introduciéndola sucesivamente, precisa hormigones de consistencias blandas y fluidas y se realiza en obras de poca importancia resistente. La compactación por golpeo repetido de un pisón se emplea en capas de 15 o 20 cm de espesor y mucha superficie horizontal. La compactación por vibrado es la habitual en hormigones resistentes y es apropiada en consistencias secas.
El vibrador más utilizado es el de aguja, un cilindro metálico de 35 a 125 mm de diámetro cuya frecuencia varía entre 3.000 y 12.000 ciclos por minuto. La aguja se dispone verticalmente en la masa de hormigón fresco, introduciéndose en cada tongada hasta que la punta penetre en la capa anterior y cuidando de no tocar las armaduras pues la vibración podría separar la masa de hormigón de la armadura. Mediante el vibrado se reduce el aire contenido en el hormigón sin compactar que se estima del orden del 15 al 20% hasta un 2-3% después del vibrado.
Curado: El curado es una de las operaciones más importantes en el proceso de puesta en obra por la influencia decisiva que tiene en la resistencia del elemento final. Durante el fraguado y primer endurecimiento se producen pérdidas de agua por evaporación, formándose huecos capilares en el hormigón que disminuyen su resistencia. En particular el calor, la sequedad y el viento provocan una evaporación rápida del agua incluso una vez compactado. Es preciso compensar estas pérdidas curando el hormigón añadiendo abundante agua que permita que se desarrollen nuevos procesos de hidratación con aumento de la resistencia.
Hay varios procedimientos habituales para curar el hormigón. Desde los que protegen del sol y del viento mediante tejadillos móviles, plásticos; mediante riegos de agua en la superficie; la inmersión en agua empleada en prefabricación; los productos de curado aplicados por pulverización; los pulverizados a base de resinas forman una película que impide la evaporación del agua, se trata de uno de los sistemas más eficaces y más costosos.
Desencofrado y Acabados: La retirada de los encofrados se realiza cuando el hormigón ha alcanzado el suficiente endurecimiento. En los portland normales suele ser un periodo que oscila entre 3 y 7 días.
Una vez desencofrado hay que reparar los pequeños defectos superficiales normalmente huecos o coqueras superficiales. Si estos defectos son de grandes dimensiones o están en zonas críticas resistentes puede resultar necesaria la demolición parcial o total del elemento construido.
Es muy difícil que queden bien ejecutadas las aristas vivas de hormigón, por ello es habitual biselarlas antes de su ejecución. Esto se hace incorporando en las esquinas de los encofrados unos biseles de madera llamados berenjenas o tarranchas.
2.3. Separación y Recubrimiento
Para dar al acero una adecuada protección contra el fuego y a la corrosión el diseñador debe mantener un espesor mínimo me recubrimiento entre el acero y el medio ambiente el código AS.C 7.7, para concreto variado el sitió especifica que la protección del concreto, para superficies expuestas directamente al terreno o la intemperie debe ser mayor que ¾. Para los muros debe ser mayor de una pulgada, para vigas y columnas debe ser mayor a 1 ½ y si la superficie de concreto está expuesta a la humedad y si la superficie del concertó está expuesta a la humedad que requiere un recubrimiento de por lo menos 2 pulgada.
2.4. Disposiciones y Seguridad
En el siglo XVIII, la resistencia de los elementos estructurales de hormigón armado era calculada experimentalmente. Navier, a principios del siglo XIX, planteó la necesidad de conocer y establecer los límites hasta donde las estructuras se comportaban elásticamente, sin deformaciones permanentes, para poder obtener modelos físico-matemáticos fiables y formulas coherentes. Posteriormente, dada la complejidad del comportamiento del hormigón, se requirió utilizar métodos basados en el cálculo de probabilidades para lograr resultados más realistas.
En la primera mitad del siglo XX, se calculaban los elementos estructurales por el método de las Tensiones Admisibles.
Seguridad Estructural: Las estructuras de los edificios, cuya función es resistir las acciones a que están sometidas, suelen ser de hormigón armado.
En los años 1960, se inició el desarrolló la teoría de la seguridad estructural respecto de los Estados límites, estableciéndose valores máximos en las flechas y en la fisuración de los elementos estructurales, acotando los riesgos.
Estados Límites: El concepto de Estado límite tuvo su auge en los años 1970, como conjunto de requerimientos que debía satisfacer un elemento estructural para ser considerado apto. Los reglamentos se centraron en dos tipos: los Estados límites de servicio y los Estados límites de
solicitación.
Coeficientes de Seguridad: Los reglamentos de los años 1970, para poder simplificar los complejos cálculos de probabilidades, establecieron los Coeficientes de seguridad, en función de la calidad de los materiales, el control de la ejecución de la obra y la dificultad del proyecto. Se introdujeron los
Coeficientes de mayoración de cargas o acciones, y los Coeficientes de minoración de resistencia de
los componentes materiales.
Reglamentos: A mediados del siglo XX los Reglamentos tenían decenas de páginas, en el siglo XXI poseen cientos. La introducción de programas informáticos posibilita cálculos muy complejos, rápidos y soluciones más precisas. Los Reglamentos hacen especial hincapié en estados últimos de
servicio (figuración, deformaciones) comportamiento (detalles constructivos) y durabilidad
(recubrimientos, calidades), limitando la resolución experimental con múltiples condicionantes. Así, el
Euro código 1 establece situaciones usuales y accidentales (como sismos), que implican
Coeficientes de seguridad parciales para las más variadas solicitaciones y resistencias. Algunas
Cálculo y Proyecto: Antes de construir cualquier elemento de hormigón deben calcularse las cargas a que estará sometido y, en función de las mismas, se determinarán las dimensiones de los elementos y calidad de hormigón, la disposición y cantidad de las armaduras en los mismos.
El cálculo de una estructura de hormigón consta de varias etapas. Primero se realizan una serie de simplificaciones en la estructura real transformándola en una estructura ideal de cálculo. Después se determinan las cargas que va a soportar la estructura, considerando en cada punto la combinación de cargas que produzca el efecto más desfavorable. Por último se dimensiona cada una de las secciones para que pueda soportar las solicitaciones más desfavorables.
EL ACERO I - INTRODUCCION
Los metales y las aleaciones poseen muchas propiedades útiles en ingeniería, lo que supone una extensa gama de aplicaciones en diseños y proyectos. El hierro y sus aleaciones principalmente el acero representa aproximadamente el 90% de la producción mundial de metales, fundamentalmente a la combinación de su buena resistencia, tenacidad y ductilidad con su relativo bajo costo.
II - ORIGENES DEL ACERO
Es altamente probable que el hombre del siglo XV a.C. conociera y manipuló lo que hoy conocemos como acero al carbón y no el hierro. La figura muestra una espada corta del año 800 a.C., o aún más antigua. La hoja es de acero al carbón endurecida por tratamiento térmico y el mango está formado por varias piezas de hierro. Algunas de ellas son piezas forjadas.
No sería remoto que en este proceso de consecución del acero se hubiera tenido el convencimiento de que el simple calentamiento de los minerales seguido del enfriamiento consecuente diera por resultado un nuevo material, quebradizo a veces, más duro y menos maleable que el cobre, menos útil que el bronce pero más abundante y fácil de obtener.
Pronto debió haberse observado que si el calentamiento se prolongaba, se mejoraba la condición de fragilidad y se aumentaba notoriamente su dureza. Esto no podía ser otra cosa que el "resultado obvio" de la purificación del material, es decir, se pensaba que el acero era una forma más pura del hierro. Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.C.) se clasificarían en la actualidad como hierro forjado. Para producir esas aleaciones se calentaba una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro forzado. Ese tratamiento reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro metálico llena de una escoria formada por impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal. Esta esponja de hierro se retiraba mientras permanecía incandescente y se golpeaba con pesados martillos para expulsar la escoria y soldar y consolidar el hierro. El hierro producido en esas condiciones solía contener un 3% de partículas de escoria y un 0,1% de otras impurezas. En ocasiones esta técnica de fabricación producía accidentalmente auténtico acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal en recipientes de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en acero auténtico.
Estas ideas prevalecieron hasta finales del siglo XVIII, cuando el metalurgista sueco Swen Rinman, en 1774, logró establecer ya de una manera científica que la diferencia entre hierro dulce, acero y hierro colado radica fundamentalmente en la cantidad de carbón que entra como aleante con el metal. Este descubrimiento empezó a dar luz sobre lo que por muchos años constituyó un gran misterio, conocido como el misterio de los aceros de Damasco.
Los aceros de Damasco son famosos por su resistencia, dureza y por la belleza de sus marcas. Las descripciones más antiguas sobre ellos datan del año 540 de nuestra era, pero seguramente se
Cruzadas, los europeos encontraron en Damasco espadas y dagas con propiedades excepcionales y por ello fue que se difundió este nombre a pesar de que el acero de que estaban hechas provenía de la India, donde se conocía con el nombre de wootz. Se cree que las mejores hojas de acero fueron forjadas en Persia con el wootz proveniente de la India, material que también se usó para hacer armaduras. Entonces, bien pudieron llamarse aceros de la India o de Persia.
Las propiedades excepcionales de este material se traducían en superioridad guerrera, pues influía de manera decisiva tanto en la protección como en la acción de ataque. Estos motivos fueron suficientes para alentar a los europeos a indagar sobre la fabricación de esos aceros, y fue en esa búsqueda que se encontraron con una serie de leyendas o consejas tan inverosímiles como las siguientes: "el acero debía ser templado", es decir enfriado bruscamente, "con los orines de un niño pelirrojo", o bien "con los orines de una cabra de tres años que hubiera sido alimentada por tres días sólo con helechos". Otros procedimientos igualmente fantásticos eran más detallados, como el siguiente: "el acero debe calentarse hasta que cese de brillar, justo como la salida del sol en el desierto; después de esto debe enfriarse hasta que llegue al color púrpura de rey y, en esta condición, insértese en el cuerpo de un esclavo lo más musculoso posible, así la fuerza del esclavo será transferida a la hoja de acero, lo que se traducirá en la resistencia del metal".
Por muchos años y con estos procedimientos o tal vez otros similares, muchos herreros, forjadores y aun científicos de renombre intentaron reproducir las propiedades de los aceros de Damasco. En 1819 el científico inglés Michael Faraday publicó un artículo, en el que proponía como solución al problema la adición al acero de pequeñas cantidades de sílica y alúmina. La propuesta no tuvo éxito pero consiguió inquietar a Jean Robert Breant para que éste iniciara una serie de experimentos consistentes en añadir distintos y variados elementos al acero. Para 1821, Breant había llegado al meollo del asunto y pudo establecer que era el alto contenido de carbón el responsable de la resistencia y dureza poco comunes de los aceros de Damasco.
La producción moderna de acero emplea altos hornos que son modelos perfeccionados de los usados antiguamente. El proceso de refinado del arrabio mediante chorros de aire se debe al inventor británico Henry Bessemer, que en 1855 desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre. Desde la década de 1960 funcionan varios minihornos que emplean electricidad para producir acero a partir de material de chatarra. Sin embargo, las grandes instalaciones de altos hornos continúan siendo esenciales para producir acero a partir de mineral de hierro.
Para dar una idea de la rápida evolución e influencia que el acero y sus aleaciones tuvieron hacia finales del siglo pasado, cabe mencionar que entre 1870 y el fin de ese siglo, la producción mundial de acero aumentó de 500000 a 2800 000 de toneladas y, por otra parte, generó el surgimiento de un sinnúmero de tecnologías.
III - COMPOSICIÓN DEL ACERO
El acero se compone de los siguientes elementos:
• Aluminio - Al: El Aluminio es usado principalmente como desoxidante en la elaboración de acero.
El Aluminio también reduce el crecimiento del grano al formar óxidos y nitruros.
• Azufre - S : El Azufre se considera como un elemento perjudicial en las aleaciones de acero, una impureza. Sin embargo, en ocasiones se agrega hasta 0.25% de azufre para mejorar la maquinabilidad. Los aceros altos en azufre son difíciles de soldar pueden causar porosidad en las soldaduras.
• Carbono - C: El Carbón - Carbono es el elemento de aleación más efectivo, eficiente y de bajo costo. En aceros enfriados lentamente, el carbón forma carburo de hierro y cementita, la cual con la ferrita forma a su vez la perlita. Cuando el acero se enfría más rápidamente, el acero al carbón muestra endurecimiento superficial. El carbón es el elemento responsable de dar la dureza y alta resistencia del acero.
• Boro - B: El Boro logra aumentar la capacidad de endurecimiento cuando el acero esta totalmente desoxidado. Una pequeña cantidad de Boro, (0.001%) tiene un efecto marcado en el endurecimiento del acero, ya que también se combina con el carbono para formar los carburos que dan al acero características de revestimiento duro.
• Cobalto - Co: El Cobalto es un elemento poco habitual en los aceros, ya que disminuye la capacidad de endurecimiento.
• Fósforo - P: Fósforo se considera un elemento perjudicial en los aceros, casi una impureza, al igual que el Azufre, ya que reduce la ductilidad y la resistencia al impacto. Sin embargo, en algunos tipos de aceros se agrega deliberadamente para aumentar su resistencia a la tensión y mejorar la maquinabilidad.
• Manganeso - Mn: El Manganeso es uno de los elementos fundamentales e indispensables, esta presente en casi todas las aleaciones de acero. El Manganeso es un formador de austenita, y al combinarse con el azufre previene la formación de sulfuro de hierro en los bordes del grano, altamente perjudicial durante el proceso de laminación. El Manganeso se usa para desoxidar y aumentar su capacidad de endurecimiento.
• Molibdeno - Mo: El Molibdeno también es un elemento habitual, ya que aumenta mucho la profundidad de endurecimiento del acero, así como su resistencia al impacto. El Molibdeno es el elemento mas efectivo para mejorar la resistencia del acero a las bajas temperaturas, reduciendo, además, la perdida de resistencia por templado. Los aceros inoxidables austeíticos contienen Molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión.
• Nitrógeno - N: El Nitrógeno puede agregarse a algunos tipos de acero, para promover la formación de austenita.
• Níquel - Ni: Es el principal formador de austenita, que aumenta la tenacidad y resistencia al impacto. El Níquel se utiliza mucho en los aceros inoxidables, para aumentar la resistencia a la corrosión. El Níquel ofrece propiedades únicas para soldar Fundición.
• Plomo - Pb: El Plomo es un ejemplo de elemento casi insoluble en Hierro. Se añade plomo a muchos tipos de acero para mejorar en gran manera su maquinabilidad.
• Titanio - Ti : Básicamente, el Titanio se utiliza para estabilizar y desoxidar acero, aunque debido a sus propiedades, pocas veces se usa en soldaduras.
• Tungsteno - W: El Tungsteno se añade para impartir gran resistencia a alta temperatura.
• Vanadio - V: El Vanadio facilita la formación de grano pequeño y reduce la perdida de resistencia durante el templado, aumentando por lo tanto la capacidad de endurecimiento.
1-LA COLADA DEL ACERO
Permite pasar directamente del acero líquido a un semiproducto transformable posteriormente por laminación.
A.) La colada del acero en lingotera: (recipientes de paredes gruesas construidos normalmente
material exotérmico, con el fin de aumentar la temperatura en esa zona y ser la parte de enfriamiento lento del lingote, de manera que se concentre en esa zona el fenómeno de contracción del paso líquido a sólido (rechupe). También en esta zona es donde más concentración existe de segregación principal y donde quedan decantadas las inclusiones no metálicas más gruesas, que por ser de menor densidad que el acero flota en las zonas líquidas que solidifican últimamente. Durante la colada se debe proteger el chorro de acero entre la cuchara y el bebedero para evitar oxidaciones del chorro y por tanto disminución de las inclusiones oxidas.
Durante la ascensión del caldo, para impedir el contacto de la superficie del acero con el aire, se adicionan productos llamados "pielizantes", que también cumplen la labor de lubricar el contacto caldo-lingotera; formando una nueva película, que posteriormente mejora la superficie de la piel de los lingotes, favoreciendo las transformaciones posteriores. El acero después de la colada se deja reposar durante un tiempo determinado en la lingotera para que termine de solidificar y después se "desmoldan", procurando siempre que la temperatura sea superior a los 800º C, trasladándolos a continuación a los hornos de calentamiento para transformación por laminación o forja.
B.) La colada continua: De la cuchara se vierte el chorro en una "ARTESA" (es una especie de
distribuidor del caldo) y de la artesa se vierte en un molde de fondo desplazable y cuya sección transversal tiene la forma de palanquilla o semiproducto que se quiera fabricar.
Se denomina continua porque el producto sale sin interrupción de la máquina, hasta que la cuchara o cucharas de alimentación se hayan agotado. El chorro, tanto al pasar de la cuchara a la artesa como al pasar de ésta al molde, es protegido de la atmósfera con buzas sumergidas.
Para iniciar la operación de la colada continua, se cierra el fondo del molde con un cabezal metálico que tiene la sección del molde unido a una barra metálica larga (FALSA BARRA), de esta forma queda tapado el fondo del molde evitando que el caldo caiga al vacío. Poco después, a medida que el caldo pasa por el molde va arrastrando a la barra que finalmente se desprende y es retirado hasta que sea necesario iniciar una nueva colada.
IV - CLASIFICACION DEL ACERO
Los diferentes tipos de acero pueden clasificarse ateniendo a diversos factores, a continuación se mencionan las clasificaciones más comunes:
CLASIFICACION DE ACUERDO A LOS ELEMENTOS DE ALEACION:
Aceros al carbono: Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros
contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques,
